Elektroniliikkeen havaitseminen auttaa maksimoimaan perinteisen ja kvanttitietokoneiden nopeutta

Michiganin yliopiston ja Regensburgin yliopiston tutkijaryhmä on onnistunut kaappaamaan elektronien liikkeen nopeimmalla tahdilla toistaiseksi. Tutkijat kaappasivat sen atosekunteina, ja tämä uusi kehitys voi auttaa maksimoimaan perinteisen tai kvanttitietokoneiden nopeuksia. Tutkimus tarjoaa uutta näkemystä siihen, miten elektronit käyttäytyvät kiinteissä aineissa.

Tutkimus julkaistiin Nature-julkaisussa.

Nopeuden lisääminen

Nähdessään elektronit liikkuvan näin pienissä jaksoissa, jotka ovat yksi kvintiljoonasosa sekunnista, asiantuntijat voivat lisätä prosessointinopeuksia jopa miljardi kertaa nopeammin kuin nykyiset mahdollisuudet.

Mackilo Kira, joka johti tutkimuksen teoreettisia osia, on Michiganin yliopiston sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen professori.

“Nykyisen tietokoneesi prosessori toimii gigahertsein, mikä on miljardisosa sekuntia operaatiota kohden”, Kira sanoi. “Kvanttitietokoneissa se on erittäin hidas, koska elektronit tietokoneen piirissä törmäilevät triljoonia kertoja sekunnissa ja jokainen törmäys lopettaa kvanttitietokoneen syklin.”

“Mitä meidän on tarvinnut suorituskyvyn parantamiseksi, ovat elektronien liikkeen otokset, jotka ovat miljardi kertaa nopeampia. Ja nyt meillä on se.”

Rupert Huber, joka on Regensburgin yliopiston fysiikan professori ja tutkimuksen vastaava tekijä, sanoo, että tulokset voivat vaikuttaa merkittävästi useiden kappaleiden fysiikan alaan, enemmän kuin tietokoneisiin.

Huber johti tutkimusta.

“Monien kappaleiden vuorovaikutukset ovat mikroskooppiset voimat, jotka ohjaavat kiinteiden aineiden ennalta arvattavissa olevat ominaisuudet – aina valon ja sähkön saavutuksista mielenkiintoisiin faasiin – mutta ne ovat olleet erittäin vaikeita päästä käsiin”, Huber sanoi. “Meidän kiinteän olomuodon attokello voi tulla oikeaksi pelinmuuttajaksi, joka mahdollistaa uusien kvanttimateriaalien suunnittelun tarkemmin hiotuilla ominaisuuksilla ja auttaa kehittämään uusia materiaalialustoja tulevaisuuden kvanttitietotekniikkaa varten.”

Elektronien liikkeen havaitseminen

Tutkijat ovat perinteisesti luottaneet lyhyisiin, kohdistettuihin äärimmäisen ultraviolettivalon (XUV) pulssien avulla elektronien liikkeen havaitsemiseen kaksiulotteisissa kvanttimateriaaleissa. XUV-pulssit paljastavat elektronien toiminnan, jotka on kiinnitetty atomin ytimeen. Kuitenkin pulssien suuri energiamäärä tekee siitä vaikeaa havaita selkeästi elektroneja, jotka liikkuvat puolijohteissa, mikä on tapahtumista nykyisissä tietokoneissa ja materiaaleissa, joita tutkitaan kvanttitietokoneita varten.

Tutkijaryhmä käytti kaksi valopulssia, joiden energiataso vastaa siirrettävien puolijohde-elektronien energiatasoa. Ensimmäinen pulssi oli infrapunavaloa, joka asettaa elektronit tilaan, jossa ne voivat liikkua aineessa. Toinen pulssi oli matala-energinen terahevonen pulssi, joka pakottaa elektronit hallituihin törmäysratoihin. Kun elektronit törmäilevät, ne tuottavat valonpurkauksia, jotka paljastavat vuorovaikutukset kvanttitiedon ja eksoottisten kvanttimateriaalien takana.

“Käytimme kahta pulssia – yhtä, joka on energiatasolla, joka vastaa elektronin tilaa, ja toista, joka aiheuttaa tilan muutoksen”, Kira selitti. “Voimme käytännössä kuvata, miten nämä kaksi pulssia muuttavat elektronin kvanttitilan ja ilmaista sen funktiona aikaa.”

Tämä uusi järjestelmä, jonka kehittäminen on mahdollista, mahdollistaa ajan mittaamisen korkealla tarkkuudella.

“Tämä on todella ainutlaatuista ja se on vaatinut meiltä monia vuosia kehitystä”, Huber sanoi. “On erittäin odottamaton, että näin korkean tarkkuuden mittaukset ovat edes mahdollisia, kun muistaa, miten äärimmäisen lyhyt yksittäinen valon värähdys on – ja meidän aikaresoluutio on sata kertaa nopeampi.”

Kvanttitietokoneet voivat ratkaista lukuisia ongelmia, jotka ovat liian monimutkaisia perinteisille tietokoneille, ja kvanttitietokoneiden edistysaskeleet voivat johtaa moniin ratkaisuihin.

Markus Borsch on Michiganin yliopiston tohtorikoulutettava sähkö- ja tietokonetekniikassa ja tutkimuksen yhteistekijä.

“Kukaan ei ole onnistunut rakentamaan skaalautuvaa ja virheensietovaa kvanttitietokonetta toistaiseksi, ja me emme edes tiedä, miltä se näyttäisi”, Borsch sanoi. “Mutta perustutkimus, kuten elektronien liikkeen tutkiminen kiinteissä aineissa perustasolla, voi antaa meille idean, joka johtaa meidät oikeaan suuntaan.”