Gerakan Elektron yang Ditangkap Membantu Maksimalkan Kecepatan Komputasi Tradisional dan Kuantum

Tim peneliti dari Universitas Michigan dan Universitas Regensburg telah menangkap gerakan elektron dengan kecepatan tercepat hingga saat ini. Tim menangkapnya dalam satuan attodetik, dan perkembangan baru ini dapat membantu memaksimalkan kecepatan komputasi tradisional atau kuantum. Penelitian ini memberikan wawasan baru tentang bagaimana elektron berperilaku dalam padatan.

Studi ini diterbitkan di Nature.

Meningkatkan Kecepatan Pemrosesan

Dengan melihat elektron bergerak dalam inkrement kecil, yang merupakan satu kuadriliun kecil dari satu detik, para ahli dapat meningkatkan kecepatan pemrosesan hingga satu miliar kali lebih cepat dari kemampuan saat ini.

Mackilo Kira, yang memimpin aspek teoretis studi ini, adalah profesor teknik elektro dan ilmu komputer di Universitas Michigan.

“Komputer Anda saat ini beroperasi dalam gigahertz, yaitu satu miliar kecil dari satu detik per operasi,” kata Kira. “Dalam komputasi kuantum, itu sangat lambat karena elektron dalam chip komputer bertabrakan triliunan kali per detik dan setiap tabrakan mengakhiri siklus komputasi kuantum.”

“Apa yang kita butuhkan, untuk mendorong kinerja ke depan, adalah cuplikan gerakan elektron yang satu miliar kali lebih cepat. Dan sekarang kita memiliki itu.”

Menurut Rupert Huber, yang merupakan profesor fisika di Universitas Regensburg dan penulis utama studi ini, hasilnya dapat sangat mempengaruhi bidang fisika banyak tubuh, bahkan lebih dari komputasi.

Huber memimpin studi ini.

“Interaksi banyak tubuh adalah kekuatan penggerak mikroskopik di balik sifat-sifat yang paling diinginkan dari padatan — mulai dari kehebatan optik dan elektronik hingga transisi fase yang menarik — tetapi mereka telah sulit diakses,” kata Huber. “Jam attosecond kita bisa menjadi perubahan besar, memungkinkan kita untuk merancang bahan kuantum baru dengan sifat yang lebih tepat dan membantu mengembangkan platform bahan baru untuk teknologi informasi kuantum di masa depan.”

Mengamati Gerakan Elektron

Para peneliti secara tradisional telah mengandalkan ledakan cahaya ultraviolet ekstrem (XUV) yang difokuskan untuk melihat gerakan elektron dalam bahan kuantum dua dimensi. Ledakan XUV mengungkapkan aktivitas elektron yang melekat pada inti atom. Namun, jumlah energi yang dibawa dalam ledakan membuatnya sulit untuk mengamati elektron yang bergerak melalui semikonduktor, yang merupakan kasus dalam komputer saat ini dan bahan yang sedang dieksplorasi untuk komputasi kuantum.

Untuk mengatasi tantangan ini, tim pertama kali menggunakan dua pulsa cahaya dengan skala energi yang sesuai dengan elektron semikonduktor yang dapat bergerak. Pulsa pertama adalah cahaya inframerah, yang memasukkan elektron ke dalam keadaan yang memungkinkan mereka untuk bergerak melalui bahan. Pulsa kedua adalah pulsa terahertz dengan energi yang lebih rendah, yang memaksa elektron ke dalam jalur tabrakan yang terkendali. Ketika elektron bertabrakan, mereka menghasilkan ledakan cahaya, yang mengungkapkan interaksi di balik informasi kuantum dan bahan kuantum eksotis.

“Kami menggunakan dua pulsa — satu yang sesuai dengan keadaan elektron, dan kemudian pulsa kedua yang menyebabkan keadaan berubah,” jelas Kira. “Kami dapat secara efektif merekam bagaimana dua pulsa ini mengubah keadaan kuantum elektron dan kemudian mengekspresikannya sebagai fungsi waktu.”

Urutan baru ini yang dikembangkan oleh waktu memungkinkan pengukuran waktu dengan presisi tinggi.

“Ini benar-benar unik dan membutuhkan banyak tahun pengembangan,” kata Huber. “Sangat tidak terduga bahwa pengukuran presisi tinggi seperti ini bahkan mungkin jika Anda ingat betapa singkatnya satu siklus osilasi cahaya — dan resolusi waktu kami adalah seratus kali lebih cepat.”

Komputasi kuantum dapat menyelesaikan banyak masalah yang terlalu kompleks untuk komputasi tradisional, dan kemajuan dalam kemampuan kuantum dapat menyebabkan banyak solusi.

Markus Borsch adalah mahasiswa doktoral di teknik elektro dan ilmu komputer di Universitas Michigan dan salah satu penulis studi ini.

“Tidak ada yang telah berhasil membangun komputer kuantum yang dapat diskalakan dan toleran kesalahan hingga saat ini dan kita bahkan tidak tahu apa yang akan terlihat seperti itu,” kata Borsch. “Tapi penelitian dasar seperti mempelajari bagaimana gerakan elektronik dalam padatan bekerja pada tingkat dasar paling mendasar mungkin memberi kita ide yang membawa kita ke arah yang benar.”