Elektronbevægelsesfangst hjælper med at maksimere traditionel og kvantecomputering

Et hold af forskere fra University of Michigan og University of Regensburg har fanget elektronbevægelse i den hurtigste hastighed hidtil. Holdet fanget det i attosekunder, og denne nye udvikling kunne hjælpe med at maksimere traditionel eller kvantecomputeringshastighed. Forskningen giver nye indsigt i, hvordan elektroner opfører sig i faste stoffer.

Studiet blev offentliggjort i Nature.

Øgelse af proceshastighed

Ved at se elektroner bevæge sig i disse små inkremente, som er en kvintilliondel af en sekund, kunne eksperter øge proceshastigheder op til en milliard gange hurtigere end nuværende evner.

Mackilo Kira, der ledede de teoretiske aspekter af studiet, er en U-M professor i elektroteknik og datalogi.

“Din nuværende computers processor opererer i gigahertz, det er en milliarddel af en sekund per operation,” sagde Kira. “I kvantecomputering er det ekstremt langsomt, fordi elektronerne inden for en computerchip kolliderer billioner af gange i sekundet, og hver kollision afbryder kvantecomputercyklen.”

“Hvad vi har brug for for at fremme ydelsen, er snapshots af denne elektronbevægelse, der er en milliard gange hurtigere. Og nu har vi det.”

Ifølge Rupert Huber, der er professor i fysik ved University of Regensburg og korresponderende forfatter af studiet, kunne resultaterne have en stor indvirkning på feltet many-body-fysik, endnu mere end computing.

Huber ledede studiet.

“Many-body-interaktioner er de mikroskopiske drivkræfter bag de mest eftertragtede egenskaber af faste stoffer – fra optiske og elektroniske bedrifter til interessante faseovergange – men de har været notorisk svære at få adgang til,” sagde Huber. “Vores faste-stof-attoclock kunne blive en rigtig game-changer, der tillader os at designe nye kvantematerialer med mere præcist tilpassede egenskaber og hjælpe med at udvikle nye materialerplatforme for fremtidig kvanteinformationsteknologi.”

Observation af elektronbevægelse

Forskere har traditionelt afhængigt af korte udsendelser af fokuseret ekstrem ultraviolet (XUV) lys for at se elektronbevægelse inden for to-dimensionale kvantematerialer. XUV-udsendelserne afslører aktiviteten af elektroner, der er knyttet til et atoms kerne. Men den store mængde energi, der medføres i udsendelserne, gør det svært at observere elektronerne, der rejser gennem halvledere, hvilket er tilfældet i nuværende computere og materialer, der undersøges til kvantecomputering.

For at overvinde disse udfordringer anvendte holdet først to lysimpulser med energiskalaer, der matcher dem af de bevægelige halvlederelektroner. Den første puls var infrarødt lys, der sætter elektronerne i en tilstand, der tillader dem at rejse gennem materialet. Den anden puls var en lavenergi-terahertzpuls, der tvinger elektronerne ind i kontrollerede frontale kollisionsbaner. Når elektronerne kolliderer, producerer de lysudsendelser, der afslører interaktioner bag kvanteinformation og eksotiske kvantematerialer.

“Vi anvendte to pulser – en, der er energimæssigt matchet med elektronens tilstand, og derefter en anden puls, der får tilstanden til at ændre,” forklarede Kira. “Vi kan essentieligt filme, hvordan disse to pulser ændrer elektronens kvantetilstand og derefter udtrykke det som en funktion af tid.”

Denne nye sekvens, der er udviklet af holdet, tillader tidmålinger med høj præcision.

“Dette er virkelig unikt og tog os mange år at udvikle,” sagde Huber. “Det er ret uventet, at så præcise målinger overhovedet er mulige, hvis man husker, hvor latterligt kort en enkelt oscillationscyklus af lys er – og vores tidsopløsning er hundred gange hurtigere endnu.”

Kvantecomputering kan løse utallige problemer, der er for komplekse for traditionel computing, og fremskridt i kvantekapaciteter kunne føre til mange løsninger.

Markus Borsch er en U-M-doktorand i elektroteknik og datalogi og medforfatter af studiet.

“Ingen har kunnet bygge en skalerbar og fejltilstandskvantecomputer hidtil, og vi ved ikke engang, hvordan det ville se ud,” sagde Borsch. “Men grundlæggende forskning som studiet af, hvordan elektronbevægelse i faste stoffer fungerer på de mest grundlæggende niveauer, kunne give os en idé, der fører os i retning.”