電子運動のキャプチャーが伝統的および量子コンピューティングの最大化に役立つ

ミシガン大学とレーゲンスブルク大学の研究者チームは、電子運動を最も高速な速度でキャプチャしました。チームはアト秒でそれをキャプチャし、この新しい開発は伝統的なコンピューティング速度または量子コンピューティング速度の最大化に役立つ可能性があります。この研究は、固体の中での電子の挙動に関する新しい洞察を提供します。

この研究は、ネイチャーに掲載されました。

処理速度の向上

これらの小さなインクリメントで電子を観察することで、専門家は現在の能力よりも約100億倍高速な処理速度を実現できる可能性があります。

マッキロ・キラは、研究の理論的な側面を主導し、ミシガン大学の電気工学およびコンピューターサイエンスの教授です。

「現在のコンピューターのプロセッサはギガヘルツで動作しています。これは、1秒あたり1億回の操作です」とキラは述べました。「量子コンピューティングでは、これは非常に遅いです。コンピューターチップ内の電子は1秒あたり数兆回衝突し、各衝突は量子コンピューティングサイクルを終了します。」

「パフォーマンスを向上させるために必要だったのは、電子の運動のスナップショットでした。それは1億倍高速でした。さて、それを持っています。」

レーゲンスブルク大学の物理学教授であり、研究の対応著者であるルパート・ヒューバーによれば、結果は多体物理学の分野に大きな影響を与える可能性があります。コンピューティングよりもさらに多体物理学に影響を与える可能性があります。

ヒューバーは研究を主導しました。

「多体相互作用は、固体の最も欲しい特性の背後にある微視的な原動力です。光学的および電子的な特性から興味深い相転移まで、範囲は広いですが、これらにアクセスすることは非常に難しいことでした」とヒューバーは述べました。「私たちの固体状態アトクロックは、ゲームチェンジャーになる可能性があります。より正確に調整された特性を持つ新しい量子材料を設計し、将来の量子情報技術のための新しい材料プラットフォームを開発するのに役立ちます。」

電子運動の観察

研究者は従来、2次元量子材料内の電子運動を観察するために、集中された極端な紫外線(XUV)の短いバーストを使用してきました。XUVバーストは、原子核に付着した電子の活動を明らかにします。しかし、バーストに運ばれる大量のエネルギーにより、半導体を通過する電子の明確な観察が困難になります。これは、現在のコンピュータや量子コンピューティングのために調査されている材料の場合です。

これらの課題を克服するために、チームはまず、移動可能な半導体電子と一致するエネルギースケールを持つ2つの光パルスを使用しました。最初のパルスは、電子を材料を通過できる状態に置く赤外線でした。2番目のパルスは、電子を制御された正面衝突軌道に強制する低エネルギーテラヘルツパルスでした。電子が衝突すると、光のバーストを生成し、量子情報とエキゾチックな量子材料の背後にある相互作用を明らかにします。

「私たちは2つのパルスを使用しました。1つは電子の状態とエネルギー的に一致するもので、もう1つは状態を変化させるものです」とキラは説明しました。「私たちは基本的に、これらの2つのパルスが電子の量子状態をどのように変化させるかを映画のように撮影し、時間の関数として表現できます。」

この新しいシーケンスは、時間測定の高精度化を可能にしました。

「これは本当にユニークで、多年にわたる開発を必要としました」とヒューバーは述べました。「光の1つの振動サイクルがどれほど短いかを思い出せば、これほど高精度な測定が可能であることは全く予想外です。私たちの時間解像度は、それよりも100倍高速です。」

量子コンピューティングは、伝統的なコンピューティングでは解決できない数多くの問題を解決できます。量子能力の向上は、多くの解決策につながる可能性があります。

マルクス・ボルシュは、ミシガン大学の電気およびコンピューターエンジニアリングの博士課程の学生であり、研究の共同著者です。

「まだ誰もスケーラブルでフォールトトレラントな量子コンピューターを構築できていないし、どのように見えるかもわかりません」とボルシュは述べました。「しかし、基本的な研究、たとえば固体内の電子運動を最も基本的なレベルで研究することで、正しい方向に導くアイデアが得られるかもしれません。」