Η Καταγραφή της Κίνησης των Ηλεκτρονίων Βοηθά στην Ενίσχυση των Παραδοσιακών και Κβαντικών Υπολογιστών

Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και το Πανεπιστήμιο του Ρέγκενσμπουργκ έχουν καταγράψει την κίνηση των ηλεκτρονίων με την ταχύτερη ταχύτητα μέχρι σήμερα. Η ομάδα κατέγραψε την κίνηση των ηλεκτρονίων σε αττοδευτερόλεπτα, και αυτή η νέα ανάπτυξη μπορεί να βοηθήσει στην ενίσχυση των ταχυτήτων των παραδοσιακών ή κβαντικών υπολογιστών. Η έρευνα παρέχει νέα έμπνευση σχετικά με τον τρόπο που τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται στα στερεά.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature.

Αύξηση των Ταχυτήτων Επεξεργασίας

Βλέποντας τα ηλεκτρόνια να κινούνται σε αυτές τις μικρές增MENTS, που είναι ένα quintillionth του δευτερολέπτου, οι εμπειρογνώμονες θα μπορούσαν να αυξήσουν τις ταχύτητες επεξεργασίας μέχρι και ένα δισεκατομμύριο φορές ταχύτερα από τις τρέχουσες ικανότητες.

Ο Mackilo Kira, ο οποίος ηγήθηκε των θεωρητικών аспектών της μελέτης, είναι καθηγητής ηλεκτρικής μηχανικής και επιστήμης υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.

«Ο υπολογιστής σας λειτουργεί σε γιγαέρτσ, δηλαδή ένα δισεκατομμύριο το δευτερόλεπτο ανά λειτουργία», είπε ο Kira. «Στους κβαντικούς υπολογιστές, αυτό είναι εξαιρετικά αργό, επειδή τα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα chip υπολογιστή συγκρούονται τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο και κάθε σύγκρουση τερματίζει τον κύκλο κβαντικής επεξεργασίας».

«Τι χρειαζόμαστε, για να προωθήσουμε την απόδοση, είναι στιγμιότυπα της κίνησης των ηλεκτρονίων που είναι ένα δισεκατομμύριο φορές ταχύτερα. Και τώρα το έχουμε».

Σύμφωνα με τον Rupert Huber, ο οποίος είναι καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Ρέγκενσμπουργκ και συγγραφέας της μελέτης, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να έχουν μεγάλη επίδραση στο πεδίο της φυσικής πολλών σωμάτων, ακόμη περισσότερο από την επεξεργασία.

Ο Huber ηγήθηκε της μελέτης.

«Οι αλληλεπιδράσεις πολλών σωμάτων είναι οι μικροσκοπικές δραστικές δυνάμεις πίσω από τις πιο περιζήτητες ιδιότητες των στερεών — που κυμαίνονται από οπτικές και ηλεκτρονικές ικανότητες μέχρι ενδιαφέρουσες μεταπτώσεις φάσεων — αλλά έχουν αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολο να προσεγγισθούν», είπε ο Huber. «Ο ατομικός μας ρολόγος στερεού καταστάσεων θα μπορούσε να γίνει ένας πραγματικός game changer, επιτρέποντας μας να σχεδιάσουμε νέα κβαντικά υλικά με πιο ακριβώς διαμορφωμένες ιδιότητες και να βοηθήσουμε στην ανάπτυξη νέων πλατφορμών υλικών για μελλοντικές τεχνολογίες κβαντικής πληροφορίας».

Παρατήρηση της Κίνησης των Ηλεκτρονίων

Οι ερευνητές έχουν παραδοσιακά βασιστεί σε σύντομες εκρήξεις εστιασμένου ακραίου υπεριώδους (XUV) φωτός για να δουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα σε δύο διαστάσεων κβαντικά υλικά. Οι εκρήξεις XUV αποκαλύπτουν τη δραστηριότητα των ηλεκτρονίων που είναι συνδεδεμένα με τον πυρήνα του ατόμου. Ωστόσο, η μεγάλη ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται στις εκρήξεις καθιστά δύσκολο την καθαρή παρατήρηση των ηλεκτρονίων που ταξιδεύουν μέσα από ημιαγωγοί, που είναι η περίπτωση στους τρέχοντες υπολογιστές και υλικά που εξετάζονται για κβαντική επεξεργασία.

Για να υπερβούν αυτές τις προκλήσεις, η ομάδα χρησιμοποίησε πρώτα δύο παλμούς φωτός με ενεργειακές κλίμακες που ταιριάζουν με αυτές των κινητών ηλεκτρονίων ημιαγωγών. Ο πρώτος παλμός ήταν υπέρυθρο φως, το οποίο τοποθετεί τα ηλεκτρόνια σε μια κατάσταση που τους επιτρέπει να ταξιδεύουν μέσα από το υλικό. Ο δεύτερος παλμός ήταν ένας παλμός τερραέρτς χαμηλότερης ενέργειας, ο οποίος αναγκάζει τα ηλεκτρόνια σε ελεγχόμενες αναμετρήσεις. Όταν τα ηλεκτρόνια συγκρούονται, παράγουν εκρήξεις φωτός, οι οποίες αποκαλύπτουν τις αλληλεπιδράσεις πίσω από την κβαντική πληροφορία και τα εξωτικά κβαντικά υλικά.

«Χρησιμοποιήσαμε δύο παλμούς — έναν που είναι ενεργειακά συγχρονισμένος με την κατάσταση του ηλεκτρονίου, και στη συνέχεια έναν δεύτερο παλμό που προκαλεί την αλλαγή της κατάστασης», εξήγησε ο Kira. «Μπορούμε ουσιαστικά να γυρίσουμε πώς αυτοί οι δύο παλμοί αλλάζουν την κβαντική κατάσταση του ηλεκτρονίου και στη συνέχεια να την εκφράσουμε ως συνάρτηση του χρόνου».

Αυτή η νέα ακολουθία που αναπτύχθηκε από την ομάδα μας επιτρέπει τη μέτρηση του χρόνου με υψηλή ακρίβεια.

«Αυτό είναι πραγματικά μοναδικό και μας πήρε πολλά χρόνια ανάπτυξης», είπε ο Huber. «Είναι khá απροσδόκητο ότι τέτοιες υψηλής ακρίβειας μετρήσεις είναι ακόμη δυνατές, αν θυμάσαι πόσο αστεία είναι ένας単ός κύκλος οσциλλάτωσης του φωτός — και η χρονική μας ανάλυση είναι εκατό φορές ταχύτερη».

Η κβαντική επεξεργασία μπορεί να λύσει αμέτρητα προβλήματα που είναι πολύ σύνθετα για την παραδοσιακή επεξεργασία, και οι προόδους στις κβαντικές ικανότητες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πολλές λύσεις.

Ο Markus Borsch είναι διδακτορικός φοιτητής ηλεκτρικής και υπολογιστικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και συν-συγγραφέας της μελέτης.

«Κανείς δεν έχει καταφέρει να κατασκευάσει έναν κλιμακωτό και ασφαλή κβαντικό υπολογιστή μέχρι τώρα και δεν ξέρουμε ακόμη τι θα μοιάζει», είπε ο Borsch. «Αλλά η βασική έρευνα, όπως η μελέτη του πώς η ηλεκτρονική κίνηση στα στερεά λειτουργεί στα πιο θεμελιώδη επίπεδα, μπορεί να μας δώσει μια ιδέα που θα μας οδηγήσει στη σωστή κατεύθυνση».