.capture حركة الإلكترون تساعد على تعزيز الحوسبة التقليدية والكمومية

فريق من الباحثين من جامعة ميشيغان وجامعة ريجنسبورغ قد قام بتصوير حركة الإلكترون بأسرع سرعة حتى الآن. قام الفريق بتصويرها في أتتوثانية، وهذا التطور الجديد قد يساعد على تعزيز سرعات الحوسبة التقليدية أو الكمومية. البحث يوفر رؤية جديدة حول كيفية سلوك الإلكترونات في المواد الصلبة.

نشرت الدراسة في نيتشر.

زيادة سرعات المعالجة

من خلال رؤية الإلكترونات تتحرك في هذه الحوافز الصغيرة، والتي هي جزء من مليار جزء من الثانية، يمكن للخبراء زيادة سرعات المعالجة بملايين المرات أكثر من القدرات الحالية.

ماكيلو كيرا، الذي قاد الجوانب النظرية للدراسة، هو أستاذ في جامعة ميشيغان للهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب.

“معالج الكمبيوتر الحالي يعمل في جيجاهيرتز، وهذا جزء من مليار جزء من الثانية لكل عملية،” قال كيرا. “في الحوسبة الكمومية، هذا بطيء جدا لأن الإلكترونات داخل شريحة الكمبيوتر تتصادم تريليونات المرات في الثانية، وكل تصادم ينهي دورة الحوسبة الكمومية.”

“ما كنا بحاجة إليه، من أجل دفع الأداء إلى الأمام، هو لقطات من حركة الإلكترون التي هي مليار مرة أسرع. والآن لدينا ذلك.”

وفقا لروبرت هوبير، الذي هو أستاذ فيزياء في جامعة ريجنسبورغ والكاتب الرئيسي للدراسة، يمكن أن يكون للنتائج تأثير كبير على مجال فيزياء الجسيمات المتعددة، أكثر من الحوسبة.

هوبير قاد الدراسة.

“التفاعلات المتعددة هي القوى الدافعة الدقيقة وراء الخصائص الأكثر شهرة للمواد الصلبة – من الإنجازات البصرية والإلكترونية إلى التحولات الطورية المثيرة – ولكنها كانت صعبة الوصول إليها،” قال هوبير. “ساعة الصلب الخاصة بنا يمكن أن تصبح مغيرا حقيقيا للعبة، مما يسمح لنا بتصميم مواد كمومية جديدة مع خصائص أكثر دقة وتطوير منصات مواد جديدة لتكنولوجيا المعلومات الكمومية في المستقبل.”

مراقبة حركة الإلكترون

اعتمد الباحثون تقليديا على انفجارات قصيرة من الضوء الأشعة الفوق البنفسجية المتطرفة المركزة لرؤية حركة الإلكترون في المواد الكمومية ثنائية الأبعاد. تكشف انفجارات الأشعة الفوق البنفسجية عن نشاط الإلكترونات المرتبطة بنواة الذرة. ومع ذلك، فإن كمية الطاقة الكبيرة التي تحملها الانفجارات تجعل من الصعب ملاحظة واضحة للإلكترونات التي تنتقل عبر المواد شبه الموصلة، وهو ما يحدث في الحواسيب الحالية والمواد التي يتم استكشافها للحوسبة الكمومية.

للتغلب على هذه التحديات، استخدم الفريق أولا نبضين ضوئيين بمقياس طاقة يطابق مقياس طاقة الإلكترونات القابلة للحركة. كان النبض الأول ضوء الأشعة تحت الحمراء، الذي يضع الإلكترونات في حالة تمكنها من التنقل عبر المادة. كان النبض الثاني نبض تيراهيرتز منخفض الطاقة، الذي يضطر الإلكترونات إلى تصادمات متعمدة. عندما تتصادم الإلكترونات، تنتج انفجارات من الضوء، مما يكشف عن التفاعلات وراء المعلومات الكمومية والمواد الكمومية الغريبة.

“استخدمنا نبضين – واحد يتماشى مع حالة الإلكترون، والثاني يغير حالة الإلكترون،” أexplained كيرا. “نحن يمكن أن نسجل كيف يتغير حالة الإلكترون الكمومي مع مرور الوقت.”

تسمح هذه التسلسل الجديد التي طوّرتها الفريق بقياس الوقت بدقة عالية.

“هذا فريد حقا وأخذ منا سنوات عديدة من التطوير،” قال هوبير. “من غير متوقع أن تكون القياسات الدقيقة مثل هذه حتى ممكنة إذا تذكرنا مدى قصرة دورة التذبذب الواحدة للضوء – وضبطنا الزمن أسرع بمئة مرة.”

يمكن للحوسبة الكمومية حل مشاكل لا حصر لها التي هي معقدة جدا للحوسبة التقليدية، ويمكن أن تؤدي التطورات في القدرات الكمومية إلى العديد من الحلول.

ماركوس بورشش هو طالب دكتوراه في الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في جامعة ميشيغان وشارك في كتابة الدراسة.

“لم يتمكن أحد من بناء كمبيوتر كمومي قابل للتطوير وموثوق به حتى الآن ونحن لا نعرف حتى ماذا سيكون ذلك،” قال بورشش. “لكن البحث الأساسي مثل دراسة كيفية عمل الحركة الإلكترونية في المواد الصلبة على المستويات الأساسية قد يعطينا فكرة توجيهنا في الاتجاه الصحيح.”