Elektronenbewegungserfassung hilft bei der Maximierung traditioneller und quantenmechanischer Rechenleistung

Ein Team von Forschern der University of Michigan und der Universität Regensburg hat die Elektronenbewegung mit der bisher höchsten Geschwindigkeit aufgezeichnet. Das Team hat sie in Attosekunden aufgezeichnet, und diese neue Entwicklung könnte helfen, die traditionelle oder quantenmechanische Rechengeschwindigkeit zu maximieren. Die Forschung gibt neue Einblicke in das Verhalten von Elektronen in Festkörpern.

Die Studie wurde in Nature

Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit

Durch die Beobachtung der Elektronenbewegung in diesen kleinen Inkrementen, die eine Quintillionstel Sekunde betragen, könnten Experten die Verarbeitungsgeschwindigkeit um bis zu eine Milliarde Mal schneller machen als die aktuellen Fähigkeiten.

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

“Ihr aktuelles Computersystem arbeitet mit Gigahertz, das sind eine Milliarde Rechenoperationen pro Sekunde”, sagte Kira. “Bei der Quantenrechnung ist das extrem langsam, da die Elektronen innerhalb eines Computerchips Billionen Mal pro Sekunde kollidieren und jede Kollision den Quantenrechnungszahl Zyklus beendet.”

“Was wir benötigt haben, um die Leistung voranzutreiben, sind Aufnahmen der Elektronenbewegung, die eine Milliarde Mal schneller sind. Und jetzt haben wir sie.”

Laut Rupert Huber, der Professor für Physik an der Universität Regensburg und entsprechender Autor der Studie, könnten die Ergebnisse den Bereich der Vielkörperphysik stark beeinflussen, noch mehr als die Rechenleistung.

Huber leitete die Studie.

“Vielkörperwechselwirkungen sind die mikroskopischen treibenden Kräfte hinter den meisten begehrten Eigenschaften von Festkörpern – von optischen und elektronischen Leistungen bis hin zu interessanten Phasenübergängen – aber sie waren bisher sehr schwer zugänglich”, sagte Huber. “Unser Festkörper-Attosekunden-Uhr könnte ein echter Game-Changer werden, der es uns ermöglicht, neue Quantenmaterialien mit präziser abgestimmten Eigenschaften zu entwerfen und neue Materialplattformen für die zukünftige Quanteninformationstechnologie zu entwickeln.”

Beobachtung der Elektronenbewegung

Forscher haben traditionell auf kurze Pulse von fokussiertem extremem Ultraviolettlicht (XUV) gesetzt, um die Elektronenbewegung in zweidimensionalen Quantenmaterialien zu beobachten. Die XUV-Pulse zeigen die Aktivität von Elektronen, die an das Atomkern gebunden sind. Allerdings macht die große Energiemenge, die in den Pulsen enthalten ist, es schwierig, die Elektronen, die durch Halbleiter wandern, klar zu beobachten, was der Fall in aktuellen Computern und Materialien ist, die für die Quantenrechnung erforscht werden.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, setzte das Team zunächst zwei Lichtpulse mit Energiegrößen ein, die denen der beweglichen Halbleiter-Elektronen entsprechen. Der erste Pulse war Infrarotlicht, das die Elektronen in einen Zustand versetzt, der es ihnen ermöglicht, durch das Material zu wandern. Der zweite Pulse war ein niedrigenergetischer Terahertz-Pulse, der die Elektronen in kontrollierte frontale Kollisionsbahnen zwingt. Wenn die Elektronen kollidieren, erzeugen sie Lichtpulse, die die Wechselwirkungen hinter Quanteninformation und exotischen Quantenmaterialien aufdecken.

“Wir haben zwei Pulse verwendet – einen, der energetisch mit dem Zustand des Elektrons abgestimmt ist, und dann einen zweiten Pulse, der den Zustand ändert”, erklärte Kira. “Wir können im Wesentlichen filmen, wie diese beiden Pulse den Quantenzustand des Elektrons ändern und dann als Funktion der Zeit ausdrücken.”

Diese neue Sequenz, die von der Zeit entwickelt wurde, ermöglicht eine Zeitmessung mit hoher Präzision.

“Das ist wirklich einzigartig und hat uns viele Jahre der Entwicklung gekostet”, sagte Huber. “Es ist ziemlich unerwartet, dass solch hochpräzise Messungen überhaupt möglich sind, wenn man bedenkt, wie absurd kurz eine einzelne Oszillationsperiode des Lichts ist – und unsere Zeitauflösung ist hundert Mal schneller.”

Die Quantenrechnung kann unzählige Probleme lösen, die für die traditionelle Rechnung zu komplex sind, und Fortschritte in der Quantenrechnung könnten zu vielen Lösungen führen.

Markus Borsch ist Doktorand in Elektrotechnik und Informatik an der U-M und Co-Autor der Studie.

“Niemand hat bisher einen skalierbaren und fehlertoleranten Quantencomputer gebaut, und wir wissen nicht einmal, wie das aussehen würde”, sagte Borsch. “Aber grundlegende Forschung wie die Untersuchung, wie die elektronische Bewegung in Festkörpern auf den grundlegendsten Ebenen funktioniert, könnte uns eine Idee geben, die uns in die richtige Richtung führt.”