Zachycení pohybu elektronů pomáhá maximalizovat tradiční a kvantové počítače

Tým výzkumníků z Michiganské univerzity a Regensburgské univerzity zachytil pohyb elektronů na dosud nejrychlejší rychlost. Tým jej zachytil v attosekundách a tato nová vývojová fáze by mohla pomoci maximalizovat tradiční nebo kvantové počítačové rychlosti. Výzkum poskytuje nové poznatky o tom, jak se elektronové chovají v pevných látkách.

Studie byla zveřejněna v Nature.

Zvyšování zpracování rychlostí

Pohled na pohyb elektronů v těchto malých inkrementech, které jsou jedné kvintiliontiny sekundy, by odborníci mohli zvýšit zpracování rychlostí až o miliardu krát rychleji než současné možnosti.

Mackilo Kira, který vedl teoretické aspekty studie, je profesorem elektrotechniky a počítačových věd na Michiganské univerzitě.

“Vaše současné počítačové procesory fungují v gigahertzích, což je jedna miliardtina sekundy na operaci,” řekl Kira. “V kvantovém počítači je to extrémně pomalé, protože elektronové uvnitř počítačového čipu se srážejí bilionykrát za sekundu a každá srážka ukončuje kvantový počítačový cyklus.”

“Potřebovali jsme, abychom mohli posunout výkon dopředu, snímky toho elektronového pohybu, které jsou miliardukrát rychlejší. A teď je máme.”

Podle Ruperta Hubera, který je profesorem fyziky na Regensburgské univerzitě a korespondenčním autorem studie, výsledky by mohly mít velký dopad na oblast mnoha tělesné fyziky, ještě více než na počítačové technologie.

Huber vedl studii.

“Interakce mnoha těles jsou mikroskopickými hnacími silami za nejžádanějšími vlastnostmi pevných látek – od optických a elektronických výkonů až po zajímavé fázové přechody – ale byly obtížně přístupné,” řekl Huber. “Náš pevný stav attoclock by mohl být skutečným převratem, umožňujícím navrhnout nové kvantové materiály s přesněji nastavenými vlastnostmi a pomoci vyvinout nové materiálové platformy pro budoucí kvantovou informační technologii.”

Pozorování elektronového pohybu

Výzkumníci tradičně spoléhali na krátké pulzy zaměřeného extrémního ultrafialového (XUV) světla, aby viděli elektronový pohyb uvnitř dvourozměrných kvantových materiálů. XUV pulzy odhalují aktivitu elektronů připojených k atomovému jádru. Nicméně, velká množství energie nesoucích pulzů činí obtížným jasným pozorováním elektronů, které procházejí polovodiči, což je případ současné počítačové technologie a materiálů, které se prozkoumávají pro kvantovou počítačovou technologii.

Aby překonali tyto výzvy, tým nejprve použil dva světelné pulzy s energetickými stupnicemi, které odpovídají pohyblivým polovodičovým elektronům. První pulz byl infračervené světlo, které uvedlo elektrony do stavu, který jim umožňuje procházet materiálem. Druhý pulz byl pulz s nižší energií terahertz, který donutil elektrony do řízených čelních kolizních drah. Když elektrony narazily, produkují pulzy světla, které odhalují interakce za kvantovou informací a exotickými kvantovými materiály.

“Použili jsme dva pulzy – jeden, který je energeticky sladěn se stavem elektronu, a pak druhý pulz, který způsobí, že se stav změní,” vysvětlil Kira. “Můžeme vlastně natočit, jak tyto dva pulzy mění kvantový stav elektronu a pak vyjádřit to jako funkci času.”

Tato nová sekvence vyvinutá v čase umožňuje měření času s vysokou přesností.

“To je opravdu jedinečné a trvalo nám mnoho let vývoje,” řekl Huber. “Je khá nečekané, že taková vysoká přesnost měření je vůbec možná, pokud si vzpomínáte, jak absurdně krátký je jeden oscilační cyklus světla – a naše časová rozlišení je stokrát rychlejší.”

Kvantové počítače mohou řešit nesčetné problémy, které jsou příliš složité pro tradiční počítačové technologie, a pokroky v kvantových možnostech by mohly vést k mnoha řešením.

Markus Borsch je doktorandem elektrotechniky a počítačových věd na Michiganské univerzitě a spoluautorem studie.

“Nikdo dosud nedokázal postavit škálovatelný a chybově tolerantní kvantový počítač a ani nevíme, jak by to vypadalo,” řekl Borsch. “Ale základní výzkum, jako je studium toho, jak elektronový pohyb v pevných látkách funguje na nejzákladnějších úrovních, by mohl dát nápad, který nás povede správným směrem.”