Работа вышла в журнале Physical Review Letters и стала первым успешным экспериментом по обнаружению исключительных точек (exceptional points, EPs) нового класса. Эти точки представляют собой редкие энергетические совпадения, возникающие в нехермитовых системах, то есть в тех, где энергия может теряться или поступать извне — в отличие от привычных закрытых квантовых систем. До недавнего времени ученым удавалось наблюдать лишь два типа таких точек, но и они уже успели изменить наше понимание фаз вещества, включая такие экзотические материалы, как полуметаллы Дирака и Вейля.
Исследователи из Университета науки и технологий Китая пошли дальше и доказали существование нового типа EP — исключительных точек Дирака. Их уникальность в том, что они соединяют свойства точек Дирака, известных в замкнутых системах, и EP, присущих открытым. Команде удалось создать особую трехуровневую систему с участием азотно-вакансийных дефектов в алмазе — квантовых структур на атомном уровне, где и проявилось искомое энергетическое вырождение.
В основе эксперимента лежал специально сконструированный нехермитов гамильтониан, математическое описание квантовой системы, в который ввели оператор квадрата спина. С помощью собственной методики, разработанной ранее, ученые реализовали этот гамильтониан в твердотельной квантовой системе. Подтверждением существования точки Дирака стали наблюдения реальных, а не комплексных значений энергии и совпадение собственных состояний — одно из ключевых условий наличия EP.
Интерес исследователей к этой теме не случаен: такие исключительные точки дают возможность управлять квантовыми состояниями более точно и с меньшими потерями. В отличие от других EP, точки Дирака обладают реальным энергетическим спектром рядом с вырождением. Это значит, что система может развиваться плавно и без сбоев — так называемая адиабатическая эволюция, обычно невозможная в открытых системах из-за потерь энергии, здесь становится доступной.
Эти результаты открывают новый путь к созданию устойчивых методов управления квантовыми состояниями — что крайне важно для квантовых сенсоров, компьютеров и других технологий будущего. Как отмечают авторы, EP Дирака могут устранить нежелательные переходы между квантовыми состояниями и даже позволить экспериментально изучать геометрические фазы — особые эффекты, возникающие при перемещении в квантовом пространстве состояний.
Недавний эксперимент ученых продемонстрировал, как квантовые компьютеры могут решать задачи, недоступные классическим системам. В ходе эксперимента была использована необычная «игра» — квантовые шашки, в которой запутанные ионы в сетке выполняют математические операции, показывая потенциал квантовых технологий. Подробнее об этом вы можете прочитать в нашем следующем обзоре.
