La capture du mouvement des électrons aide à maximiser l'informatique traditionnelle et quantique

Une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Université de Ratisbonne a capturé le mouvement des électrons à la vitesse la plus rapide à ce jour. L'équipe l'a capturé en quelques attosecondes, et ce nouveau développement pourrait aider à maximiser les vitesses de calcul traditionnelles ou quantiques. La recherche fournit de nouvelles informations sur le comportement des électrons dans les solides. 

L'étude a été publiée dans Nature. 

Augmentation des vitesses de traitement

En voyant les électrons se déplacer dans ces petits incréments, qui sont d'un quintillionième de seconde, les experts pourraient augmenter les vitesses de traitement jusqu'à un milliard de fois plus vite que les capacités actuelles. 

Mackilo Kira, qui a dirigé les aspects théoriques de l'étude, est professeur de génie électrique et d'informatique à l'UM. 

"Le processeur de votre ordinateur actuel fonctionne en gigahertz, soit un milliardième de seconde par opération", a déclaré Kira. "En informatique quantique, c'est extrêmement lent car les électrons d'une puce informatique entrent en collision des milliards de fois par seconde et chaque collision met fin au cycle d'informatique quantique." 

« Ce dont nous avions besoin, pour faire avancer les performances, ce sont des instantanés de ce mouvement d'électrons qui sont un milliard de fois plus rapides. Et maintenant, nous l'avons. 

Selon Rupert Huber, professeur de physique à l'Université de Ratisbonne et auteur correspondant de l'étude, les résultats pourraient avoir un impact considérable sur le domaine de la physique à plusieurs corps, encore plus que sur l'informatique. 

Huber a dirigé l'étude. 

"Les interactions à plusieurs corps sont les forces motrices microscopiques derrière les propriétés les plus convoitées des solides - allant des prouesses optiques et électroniques aux transitions de phase intrigantes - mais elles ont été notoirement difficiles d'accès", a déclaré Huber. "Notre attoclock à semi-conducteurs pourrait changer la donne, nous permettant de concevoir de nouveaux matériaux quantiques avec des propriétés plus précisément adaptées et d'aider à développer de nouvelles plates-formes de matériaux pour la future technologie de l'information quantique." 

Observer le mouvement des électrons

Les chercheurs se sont traditionnellement appuyés sur de courtes rafales de lumière ultraviolette extrême (XUV) focalisée pour voir le mouvement des électrons dans les matériaux quantiques bidimensionnels. Les sursauts XUV révèlent l'activité des électrons attachés au noyau d'un atome. Cependant, la grande quantité d'énergie transportée dans les rafales rend difficile une observation claire des électrons qui traversent les semi-conducteurs, ce qui est le cas dans les ordinateurs actuels et les matériaux explorés pour l'informatique quantique. 

Pour surmonter ces défis, l'équipe a d'abord utilisé deux impulsions lumineuses avec des échelles d'énergie qui correspondent à celles des électrons semi-conducteurs mobiles. La première impulsion était une lumière infrarouge, qui met les électrons dans un état qui leur permet de voyager à travers le matériau. La deuxième impulsion était une impulsion térahertz de faible énergie, qui force les électrons dans des trajectoires de collision frontale contrôlées. Lorsque les électrons s'écrasent, ils produisent des éclats de lumière, qui révèlent les interactions derrière l'information quantique et les matériaux quantiques exotiques. 

"Nous avons utilisé deux impulsions - une qui correspond énergétiquement à l'état de l'électron, puis une seconde impulsion qui fait changer l'état", a expliqué Kira. "Nous pouvons essentiellement filmer comment ces deux impulsions modifient l'état quantique de l'électron, puis l'exprimer en fonction du temps." 

Cette nouvelle séquence mise au point par le temps permet de mesurer le temps avec une grande précision. 

"C'est vraiment unique et cela nous a pris de nombreuses années de développement", a déclaré Huber. "Il est tout à fait inattendu que de telles mesures de haute précision soient même possibles si vous vous souvenez à quel point un seul cycle d'oscillation de la lumière est ridiculement court - et notre résolution temporelle est encore cent fois plus rapide." 

L'informatique quantique peut résoudre d'innombrables problèmes qui sont trop complexes pour l'informatique traditionnelle, et les progrès des capacités quantiques pourraient conduire à de nombreuses solutions. 

Markus Borsch est doctorant à l'UM en génie électrique et informatique et co-auteur de l'étude.

"Personne n'a été capable de construire un ordinateur quantique évolutif et tolérant aux pannes jusqu'à présent et nous ne savons même pas à quoi cela ressemblerait", a déclaré Borsch. "Mais la recherche fondamentale comme l'étude du fonctionnement du mouvement électronique dans les solides aux niveaux les plus fondamentaux pourrait nous donner une idée qui nous mène dans la bonne direction."