الحوسبة الكمومية
تحريك الإلكترون المساعد في تحقيق أقصى حد للكمبيوتر التقليدية والكمبيوتر الكمومي
فريق من الباحثين من جامعة ميشيغان وجامعة ريغنسبورغ قد قام بتصوير حركة الإلكترونات بسرعة أسرع من أي وقت مضى. قام الفريق بتصويرها في أتتوثانية، وهذا التطور الجديد يمكن أن يساعد في تحقيق أقصى حد للسرعات التقليدية أو الكمومية للكمبيوتر. يوفر البحث رؤى جديدة حول كيفية سلوك الإلكترونات في المواد الصلبة.
نشرت الدراسة في Nature.
زيادة سرعات المعالجة
من خلال رؤية الإلكترونات تتحرك في هذه الفترات الصغيرة، والتي تبلغ واحد كوينتليون من الثانية، يمكن للخبراء زيادة سرعات المعالجة بمقدار مليار مرة أسرع من القدرات الحالية.
ماكيلو كيرا، الذي قاد الجوانب النظرية للدراسة، هو أستاذ في جامعة ميشيغان للهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب.
“معالج الكمبيوتر الحالي يعمل في الجيجا هرتز، وهذا يعني مليار 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 الإلكترونات التي تبلغ مليار مرة أسرع. والآن لدينا ذلك.”
وفقا لروبرت هوبر، الذي هو أستاذ فيزياء في جامعة ريغنسبورغ والمؤلف الم対応 للدراسة، يمكن أن يكون للنتائج تأثير كبير على مجال فيزياء الجسيمات المتعددة، أكثر من الحوسبة.
قاد هوبر الدراسة.
“التفاعلات المتعددة الجسيمات هي القوى الدافعة الدقيقة وراء أكثر الخواص المرغوبة للمواد الصلبة — من الإنجازات البصرية والإلكترونية إلى التحولات الطورية المثيرة — ولكنها كانت صعبة الوصول إليها،” قال هوبر. “ساعة الصلبات الذرية يمكن أن تصبح تغييرًا كبيرًا في اللعبة، مما يسمح لنا بتصميم مواد كمومية جديدة مع خصائص أكثر دقة وتطوير منصات مواد جديدة لتكنولوجيا المعلومات الكمومية في المستقبل.”
مراقبة حركة الإلكترون
اعتمادا على الباحثين تقليديا على انفجارات قصيرة من الضوء الفائق للغاية الأشعة الفوق البنفسجية (XUV) لرؤية حركة الإلكترونات في المواد الكمومية ثنائية الأبعاد. تكشف انفجارات XUV عن نشاط الإلكترونات المرتبطة بنواة الذرة. ومع ذلك، فإن الكمية الكبيرة من الطاقة التي تحملها الانفجارات تجعل من الصعب رؤية واضحة للإلكترونات التي تنتقل عبر المواد شبه الموصلة، وهو ما يحدث في الكمبيوترات الحالية والمواد التي يتم استكشافها للحوسبة الكمومية.
لتجاوز هذه التحديات، استخدم الفريق أولا نبضات ضوئية ذات مقياس 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 نبضة تيراهيرتز منخفضة الطاقة، التي تجبر الإلكترونات على مسارات تصادمية محكومة. عندما يتصادم الإلكترونات، فإنها تنتج انفجارات من الضوء، مما يكشف عن التفاعلات وراء المعلومات الكمومية والمواد الكمومية الغريبة.
“استخدمنا نبضتين — واحدة متوافقة طاقيا مع حالة الإلكترون، وثانية تسبب في تغيير الحالة،” أشار كيرا. “نستطيع ببساطة تصوير كيف تتغير هذه النبضات الحالتين الكموميتين للإلكترون، ثم نعبر عن ذلك كدالة للزمن.”
تسمح هذه التسلسل الجديد التي طوّرتها الفريق بقياس الزمن بدقة عالية.
“هذا فريد حقا وأخذ منا العديد من السنوات من التطوير،” قال هوبر. “من غير المتوقع أن تكون مثل هذه القياسات الدقيقة ممكنة إذا تذكرنا كم هي قصيرة دورة التذبذب الواحدة للضوء — وتصويرنا أسرع بمئة مرة.”
يمكن للحوسبة الكمومية حل مشاكل لا حصر لها التي تكون معقدة جدا للكمبيوتر التقليدية، ويمكن أن يؤدي التقدم في القدرات الكمومية إلى العديد من الحلول.
ماركوس بورش هو طالب دكتوراه في جامعة ميشيغان للهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب وشارك في كتابة الدراسة.
“لم يستطع أحد بناء كمبيوتر كمومي قابل للتوسيع وملائم للأخطاء حتى الآن، ونحن لا نعرف حتى ماذا سيكون شكله،” قال بورش. “لكن البحث الأساسي مثل دراسة كيفية عمل حركة الإلكترون في المواد الصلبة على المستويات الأكثر أساسية قد يعطينا فكرة تؤدينا إلى الاتجاه الصحيح.”
