תנועת אלקטרונים לכידה עוזרת למקסם מחשוב מסורתי וקוונטי

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת מישיגן ואוניברסיטת רגנסבורג תפסו תנועת אלקטרונים במהירות המהירה ביותר עד כה. הקבוצה תפסה אותה באטו-שניות, ופיתוח חדש זה יכול לעזור למקסם מהירות מחשוב מסורתי או קוונטי. המחקר מספק תובנות חדשות לגבי איך אלקטרונים מתנהגים במוצקים. 

המחקר פורסם ב Nature. 

הגברת מהירות עיבוד

באמצעות צפייה באלקטרונים הנעים בחלקים הקטנים האלה, שהם חלק אחד מקווינטיליון של שנייה, המומחים יכולים להגביר מהירות עיבוד עד מיליארד פעמים מהיר יותר מיכולות הנוכחיות. 

Mackilo Kira, שהוביל את ההיבטים התאורטיים של המחקר, הוא פרופסור באוניברסיטת מישיגן להנדסת חשמל ומדעי המחשב. 

“מעבד המחשב הנוכחי שלך פועל בתדר גיגה-הרץ, זהו מיליארדית של שנייה לפעולה,” אמר Kira. “במחשוב קוונטי, זה איטי מאוד, מכיוון שאלקטרונים בתוך שבב המחשב מתנגשים טריליוני פעמים בשנייה, וכל התנגשות מסיימת את מחזור המחשוב הקוונטי.” 

“מה שהיינו צריכים, כדי לדחוף את הביצועים קדימה, הם צילומים של תנועת האלקטרונים שהם מיליארד פעמים מהירים יותר. ועכשיו יש לנו.” 

על פי Rupert Huber, שהוא פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת רגנסבורג ומחבר מוביל של המחקר, התוצאות יכולות להשפיע מאוד על תחום הפיזיקה של גופים רבים, אפילו יותר מאשר על המחשוב. 

Huber הוביל את המחקר. 

“אינטראקציות רב-גופים הן הכוחות המיקרוסקופיים המניעים את התכונות המיוחלות ביותר של מוצקים – החל מהישגים אופטיים ואלקטרוניים ועד למעברי פאזה מרתקים – אבל הן היו קשות לגישה,” אמר Huber. “שעון האטו-שניות המוצק שלנו יכול להיות משנה משחק, ולאפשר לנו לעצב חומרים קוונטיים חדשים עם תכונות מדויקות יותר, ולסייע בפיתוח פלטפורמות חומרים חדשות לטכנולוגיית מידע קוונטית עתידית.” 

צפייה בתנועת אלקטרונים

החוקרים הסתמכו בדרך כלל על פרצי אור אולטרה-סגול קיצוני (XUV) קצרים כדי לראות תנועת אלקטרונים בתוך חומרים קוונטיים דו-ממדיים. פרצי XUV חושפים את פעילות האלקטרונים המחוברים לגרעין של אטום. עם זאת, כמות האנרגיה הגדולה שנישאת בפרצים הופכת את זה לקשה לצפות באלקטרונים שעוברים דרך חומרים מוליכים למחצה, שזה המקרה במחשבים וחומרים הנחקרים למחשוב קוונטי. 

כדי להתגבר על אתגרים אלה, הקבוצה השתמשה תחילה בשני פולסים של אור עם סקאלות אנרגיה שתואמות את האלקטרונים הניידים בחומר המוליך למחצה. הפולס הראשון היה אור אינפרא-אדום, שמכניס את האלקטרונים למצב שמאפשר להם לנוע דרך החומר. הפולס השני היה פולס טרה-הרץ באנרגיה נמוכה יותר, שכופה על האלקטרונים לנתיבי התנגשות מבוקרים. כאשר האלקטרונים מתנגשים, הם מייצרים פרצי אור, שחושפים את האינטראקציות מאחורי מידע קוונטי וחומרים קוונטיים אקזוטיים. 

“השתמשנו בשני פולסים – אחד שתואם אנרגטית את מצב האלקטרון, ואז פולס שני שגורם למצב להשתנות,” הסביר Kira. “אנו יכולים לצלם איך שני הפולסים האלה משנים את מצב האלקטרון הקוונטי, ואז לבטא זאת כפונקציה של זמן.” 

רצף זה החדש שפותח על ידי הזמן מאפשר מדידת זמן בדיוק גבוה. 

“זה באמת ייחודי ולקח לנו הרבה שנים של פיתוח,” אמר Huber. “זה באמת בלתי צפוי שמדידות בדיוק גבוה כל כך אפשריות, אם תזכרו כמה מהירה היא מחזור אוסצילציה בודד של אור – ורזולוציית הזמן שלנו היא מאה פעמים מהירה יותר.” 

מחשוב קוונטי יכול לפתור בעיות רבות שקשות מדי למחשוב מסורתי, והתקדמויות ביכולות קוונטיות יכולות להוביל לפתרונות רבים. 

Markus Borsch הוא סטודנט לדוקטורט בהנדסת חשמל ומדעי המחשב באוניברסיטת מישיגן ומחבר שותף של המחקר.

“אף אחד לא הצליח לבנות מחשב קוונטי ניתן להרחבה ועמיד בטעויות עד כה, ואנחנו אפילו לא יודעים מה זה ייראה,” אמר Borsch. “אבל מחקר בסיסי כמו חקר איך תנועת אלקטרונים במוצקים עובדת ברמות הבסיסיות ביותר, עשוי לתת לנו רעיון שיכוון אותנו לכיוון הנכון.”