Die Erfassung der Elektronenbewegung trägt zur Maximierung des traditionellen Computings und des Quantencomputings bei

Ein Forscherteam der University of Michigan und der Universität Regensburg hat die Elektronenbewegung mit der bisher schnellsten Geschwindigkeit erfasst. Das Team hat es in Attosekunden erfasst, und diese neue Entwicklung könnte dazu beitragen, die Geschwindigkeit traditioneller oder Quantencomputer zu maximieren. Die Forschung liefert neue Erkenntnisse darüber, wie sich Elektronen in Festkörpern verhalten. 

Die Studie wurde in der veröffentlichten Natur. 

Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit

Durch die Beobachtung, wie sich Elektronen in diesen kleinen Schritten bewegen, die ein Trillionstel einer Sekunde betragen, könnten Experten die Verarbeitungsgeschwindigkeit bis zu einer Milliarde Mal schneller steigern als derzeit möglich. 

Mackilo Kira, der die theoretischen Aspekte der Studie leitete, ist UM-Professor für Elektrotechnik und Informatik. 

„Der Prozessor Ihres aktuellen Computers arbeitet im Gigahertz, das ist ein Milliardstel einer Sekunde pro Vorgang“, sagte Kira. „Im Quantencomputing ist das extrem langsam, weil Elektronen in einem Computerchip Billionen Mal pro Sekunde kollidieren und jede Kollision den Quantencomputing-Zyklus beendet.“ 

„Um die Leistung voranzutreiben, brauchten wir Momentaufnahmen dieser Elektronenbewegung, die eine Milliarde Mal schneller sind. Und jetzt haben wir es.“ 

Laut Rupert Huber, Physikprofessor an der Universität Regensburg und korrespondierender Autor der Studie, könnten die Ergebnisse große Auswirkungen auf den Bereich der Vielteilchenphysik haben, noch stärker als auf die Informatik. 

Huber leitete die Studie. 

„Vielteilchenwechselwirkungen sind die mikroskopischen Triebkräfte hinter den begehrtesten Eigenschaften von Festkörpern – von optischen und elektronischen Meisterleistungen bis hin zu faszinierenden Phasenübergängen –, aber sie sind bekanntermaßen schwer zugänglich“, sagte Huber. „Unsere Festkörper-Attoclock könnte zu einem echten Game-Changer werden, der es uns ermöglicht, neuartige Quantenmaterialien mit präziseren Eigenschaften zu entwerfen und bei der Entwicklung neuer Materialplattformen für die zukünftige Quanteninformationstechnologie zu helfen.“ 

Beobachtung der Elektronenbewegung

Um Elektronenbewegungen in zweidimensionalen Quantenmaterialien zu beobachten, verlassen sich Forscher traditionell auf kurze Ausbrüche fokussierten extrem ultravioletten (XUV) Lichts. Die XUV-Ausbrüche zeigen die Aktivität von Elektronen, die an den Atomkern gebunden sind. Allerdings erschwert die große Energiemenge, die in den Ausbrüchen transportiert wird, eine klare Beobachtung der Elektronen, die sich durch Halbleiter bewegen, was bei aktuellen Computern und Materialien der Fall ist, die für Quantencomputer erforscht werden. 

Um diese Herausforderungen zu meistern, setzte das Team zunächst zwei Lichtpulse ein, deren Energieskalen denen der beweglichen Halbleiterelektronen entsprechen. Der erste Puls war Infrarotlicht, das die Elektronen in einen Zustand versetzt, der es ihnen ermöglicht, sich durch das Material zu bewegen. Der zweite Puls war ein Terahertz-Puls niedrigerer Energie, der die Elektronen in kontrollierte Frontalkollisionsbahnen zwingt. Wenn die Elektronen zusammenstoßen, erzeugen sie Lichtausbrüche, die Wechselwirkungen hinter Quanteninformation und exotischen Quantenmaterialien aufdecken. 

„Wir haben zwei Pulse verwendet – einen, der energetisch an den Zustand des Elektrons angepasst ist, und dann einen zweiten Puls, der eine Zustandsänderung bewirkt“, erklärte Kira. „Wir können im Wesentlichen filmen, wie diese beiden Pulse den Quantenzustand des Elektrons verändern, und dies dann als Funktion der Zeit ausdrücken.“ 

Diese von der Zeit entwickelte neue Sequenz ermöglicht eine Zeitmessung mit hoher Präzision. 

„Das ist wirklich einzigartig und hat uns viele Jahre der Entwicklung gekostet“, sagte Huber. „Es ist ziemlich überraschend, dass solch hochpräzise Messungen überhaupt möglich sind, wenn man bedenkt, wie lächerlich kurz ein einzelner Schwingungszyklus des Lichts ist – und unsere Zeitauflösung ist noch hundertmal schneller.“ 

Quantencomputing kann unzählige Probleme lösen, die für herkömmliche Computer zu komplex sind, und Fortschritte bei den Quantenfähigkeiten könnten zu vielen Lösungen führen. 

Markus Borsch ist UM-Doktorand in Elektrotechnik und Informationstechnik und Mitautor der Studie.

„Bisher ist es niemandem gelungen, einen skalierbaren und fehlertoleranten Quantencomputer zu bauen, und wir wissen noch nicht einmal, wie das aussehen würde“, sagte Borsch. „Aber Grundlagenforschung wie die Untersuchung, wie elektronische Bewegung in Festkörpern auf den grundlegendsten Ebenen funktioniert, könnte uns eine Idee liefern, die uns in die richtige Richtung führt.“