Movimento degli elettroni catturato per massimizzare l’elaborazione tradizionale e quantistica

Un team di ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Università di Ratisbona ha catturato il movimento degli elettroni alla velocità più veloce fino ad ora. Il team lo ha catturato in attosecondi, e questo nuovo sviluppo potrebbe aiutare a massimizzare le velocità di elaborazione tradizionale o quantistica. La ricerca fornisce nuove informazioni su come gli elettroni si comportano nei solidi.

Lo studio è stato pubblicato su Nature.

Aumento della velocità di elaborazione

Osservando gli elettroni muoversi in questi piccoli incrementi, che sono un quintilionesimo di secondo, gli esperti potrebbero aumentare le velocità di elaborazione fino a un miliardo di volte più veloce delle capacità attuali.

Mackilo Kira, che ha guidato gli aspetti teorici dello studio, è un professore di ingegneria elettrica e informatica dell’Università del Michigan.

“Il processore del tuo computer attuale opera in gigahertz, cioè un miliardesimo di secondo per operazione”, ha detto Kira. “Nel calcolo quantistico, ciò è estremamente lento perché gli elettroni all’interno di un chip del computer collidono trilioni di volte al secondo e ogni collisione termina il ciclo di calcolo quantistico.”

“Ciò di cui avevamo bisogno, per spingere le prestazioni in avanti, sono istantanee di quel movimento degli elettroni che sono un miliardo di volte più veloci. E adesso le abbiamo.”

Secondo Rupert Huber, che è un professore di fisica dell’Università di Ratisbona e autore corrispondente dello studio, i risultati potrebbero avere un grande impatto nel campo della fisica dei molti corpi, anche più che nel calcolo.

Huber ha guidato lo studio.

“Le interazioni dei molti corpi sono le forze microscopiche che guidano le proprietà più ambite dei solidi – che vanno dalle imprese ottiche ed elettroniche alle transizioni di fase intriganti – ma sono state notoriamente difficili da accedere”, ha detto Huber. “Il nostro orologio dei solidi potrebbe diventare un vero cambiamento di gioco, permettendoci di progettare materiali quantistici nuovi con proprietà più precisamente personalizzate e aiutare a sviluppare nuove piattaforme di materiali per la tecnologia dell’informazione quantistica del futuro.”

Osservazione del movimento degli elettroni

I ricercatori si sono tradizionalmente affidati a brevi impulsi di luce ultravioletta estrema (XUV) per osservare il movimento degli elettroni all’interno di materiali quantistici bidimensionali. Gli impulsi XUV rivelano l’attività degli elettroni attaccati al nucleo di un atomo. Tuttavia, la grande quantità di energia trasportata negli impulsi rende difficile l’osservazione chiara degli elettroni che attraversano i semiconduttori, che è il caso dei computer attuali e dei materiali esplorati per il calcolo quantistico.

Per superare queste sfide, il team ha impiegato due impulsi di luce con scale di energia che corrispondono a quelle degli elettroni semiconduttori mobili. Il primo impulso era luce infrarossa, che mette gli elettroni in uno stato che consente loro di attraversare il materiale. Il secondo impulso era un impulso terahertz a bassa energia, che costringe gli elettroni in traiettorie di collisione controllate. Quando gli elettroni collidono, producono impulsi di luce, che rivelano le interazioni dietro l’informazione quantistica e i materiali quantistici esotici.

“Abbiamo usato due impulsi – uno che è energeticamente corrispondente allo stato dell’elettrone, e poi un secondo impulso che fa cambiare lo stato”, ha spiegato Kira. “Possiamo essenzialmente filmare come questi due impulsi cambiano lo stato quantico dell’elettrone e poi esprimerlo come una funzione del tempo.”

Questa nuova sequenza sviluppata dal team consente la misurazione del tempo con alta precisione.

“Questo è veramente unico e ci ha richiesto molti anni di sviluppo”, ha detto Huber. “È piuttosto inaspettato che misurazioni di alta precisione siano possibili se si ricorda quanto ridicolmente breve è un singolo ciclo di oscillazione della luce – e la nostra risoluzione temporale è cento volte più veloce.”

Il calcolo quantistico può risolvere innumerevoli problemi che sono troppo complessi per il calcolo tradizionale, e i progressi nelle capacità quantistiche potrebbero portare a molte soluzioni.

Markus Borsch è uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica dell’Università del Michigan e coautore dello studio.

“Nessuno è stato in grado di costruire un computer quantistico scalabile e tollerante ai guasti finora e non sappiamo neanche cosa significhi”, ha detto Borsch. “Ma la ricerca di base come lo studio di come il movimento elettronico nei solidi funziona ai livelli più fondamentali potrebbe darci un’idea che ci porta nella direzione giusta.”