Captura de movimiento de electrones ayuda a maximizar la computación tradicional y cuántica

Un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Regensburg ha capturado el movimiento de electrones a la velocidad más rápida hasta la fecha. El equipo lo capturó en attosegundos, y este nuevo desarrollo podría ayudar a maximizar las velocidades de procesamiento de la computación tradicional o cuántica. La investigación proporciona nueva información sobre cómo se comportan los electrones en los sólidos.

El estudio se publicó en Nature.

Aumento de las velocidades de procesamiento

Al ver los electrones moverse en estos pequeños incrementos, que son una quintillonésima de segundo, los expertos podrían aumentar las velocidades de procesamiento hasta un millón de veces más rápido que las capacidades actuales.

Mackilo Kira, quien lideró los aspectos teóricos del estudio, es profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la Universidad de Michigan.

“El procesador de tu computadora actual opera en gigahercios, es decir, una milmillonésima de segundo por operación”, dijo Kira. “En la computación cuántica, eso es extremadamente lento porque los electrones dentro de un chip de computadora chocan billones de veces por segundo y cada colisión termina el ciclo de computación cuántica”.

“Lo que necesitábamos, para impulsar el rendimiento hacia adelante, eran instantáneas de ese movimiento de electrones que sean un millón de veces más rápidas. Y ahora las tenemos”.

Según Rupert Huber, quien es profesor de física en la Universidad de Regensburg y autor correspondiente del estudio, los resultados podrían tener un gran impacto en el campo de la física de muchos cuerpos, incluso más que en la computación.

Huber lideró el estudio.

“Las interacciones de muchos cuerpos son las fuerzas impulsoras microscópicas detrás de las propiedades más codiciadas de los sólidos, que van desde logros ópticos y electrónicos hasta transiciones de fase intrigantes, pero han sido notoriamente difíciles de acceder”, dijo Huber. “Nuestro reloj atómico de estado sólido podría convertirse en un verdadero juego cambiador, lo que nos permitiría diseñar materiales cuánticos nuevos con propiedades más precisamente adaptadas y ayudar a desarrollar nuevas plataformas de materiales para la tecnología de la información cuántica del futuro”.

Observación del movimiento de electrones

Los investigadores tradicionalmente han confiado en breves explosiones de luz ultravioleta extrema (XUV) enfocada para ver el movimiento de electrones dentro de materiales cuánticos bidimensionales. Los estallidos de XUV revelan la actividad de los electrones unidos al núcleo de un átomo. Sin embargo, la gran cantidad de energía transportada en los estallidos hace que sea difícil observar claramente los electrones que viajan a través de los semiconductores, que es el caso de las computadoras actuales y los materiales que se exploran para la computación cuántica.

Para superar estos desafíos, el equipo empleó primero dos pulsos de luz con escalas de energía que coinciden con las de los electrones de semiconductor móviles. El primer pulso fue luz infrarroja, que pone a los electrones en un estado que les permite viajar a través del material. El segundo pulso fue un pulso terahercio de baja energía, que fuerza a los electrones a colisionar en trayectorias controladas de frente. Cuando los electrones chocan, producen explosiones de luz, que revelan las interacciones detrás de la información cuántica y los materiales cuánticos exóticos.

“Usamos dos pulsos, uno que está energéticamente emparejado con el estado del electrón, y luego un segundo pulso que hace que el estado cambie”, explicó Kira. “Podemos filmar básicamente cómo estos dos pulsos cambian el estado cuántico del electrón y luego expresarlo como una función del tiempo”.

Esta nueva secuencia desarrollada por el tiempo permite mediciones de tiempo con alta precisión.

“Esto es realmente único y nos llevó muchos años de desarrollo”, dijo Huber. “Es bastante inesperado que se puedan realizar mediciones de precisión tan alta si se recuerda lo ridículamente corto que es un solo ciclo de oscilación de la luz, y nuestra resolución de tiempo es cien veces más rápida”.

La computación cuántica puede resolver innumerables problemas que son demasiado complejos para la computación tradicional, y los avances en las capacidades cuánticas podrían conducir a muchas soluciones.

Markus Borsch es un estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la Universidad de Michigan y coautor del estudio.

“Nadie ha podido construir una computadora cuántica escalable y tolerante a fallas hasta ahora y ni siquiera sabemos cómo sería”, dijo Borsch. “Pero la investigación básica como el estudio de cómo funciona el movimiento electrónico en los sólidos en los niveles más fundamentales podría darnos una idea que nos lleve en la dirección correcta”.