Elektronų judėjimo fiksavimas padeda maksimaliai išnaudoti tradicinį ir kvantinį skaičiavimą

Mičigano universiteto ir Regensburgo universitetų tyrėjų komanda užfiksavo elektronų judėjimą iki šiol didžiausiu greičiu. Komanda jį užfiksavo atosekundėmis, o ši nauja plėtra gali padėti maksimaliai padidinti tradicinio ar kvantinio skaičiavimo greitį. Tyrimas suteikia naujų įžvalgų apie tai, kaip elektronai elgiasi kietose medžiagose. 

Tyrimas buvo paskelbtas Gamta. 

Apdorojimo greičio didinimas

Matydami elektronų judėjimą šiais mažais žingsniais, kurie yra viena kvintilijonoji sekundės dalis, ekspertai galėtų padidinti apdorojimo greitį iki milijardo kartų greičiau nei dabartinės galimybės. 

Mackilo Kira, vadovavęs teoriniams tyrimo aspektams, yra UM elektrotechnikos ir informatikos profesorius. 

„Dabartinis jūsų kompiuterio procesorius veikia gigahercais, tai yra viena milijardoji sekundės dalis vienai operacijai“, – sakė Kira. „Kvantiniame skaičiavime tai labai lėta, nes elektronai kompiuterio lustoje susiduria trilijonus kartų per sekundę ir kiekvienas susidūrimas užbaigia kvantinio skaičiavimo ciklą. 

„Kad galėtume pagerinti našumą, mums reikia milijardą kartų greitesnių elektronų judėjimo momentinių nuotraukų. Ir dabar mes jį turime“. 

Pasak Ruperto Huberio, Regensburgo universiteto fizikos profesoriaus ir atitinkamo tyrimo autoriaus, rezultatai gali turėti didelės įtakos daugelio kūnų fizikos sričiai, net labiau nei kompiuterijai. 

Huberis vadovavo tyrimui. 

„Daugelio kūno sąveika yra mikroskopinė varomoji jėga, lemianti geidžiamiausias kietųjų kūnų savybes – nuo ​​optinių ir elektroninių žygdarbių iki intriguojančių fazių perėjimų, tačiau jas buvo žinoma sunkiai pasiekiama“, – sakė Huberis. „Mūsų kietojo kūno laikrodis gali tapti tikru žaidimo keitikliu, leidžiančiu mums sukurti naujas kvantines medžiagas su tiksliau pritaikytomis savybėmis ir padėti kurti naujas medžiagų platformas ateities kvantinėms informacinėms technologijoms. 

Elektronų judėjimo stebėjimas

Tyrėjai tradiciškai rėmėsi trumpais fokusuotos ekstremalios ultravioletinės (XUV) šviesos pliūpsniais, norėdami pamatyti elektronų judėjimą dvimatėse kvantinėse medžiagose. XUV sprogimai atskleidžia elektronų, prijungtų prie atomo branduolio, aktyvumą. Tačiau dėl didelio pliūpsnio energijos kiekio sunku aiškiai stebėti puslaidininkiais keliaujančius elektronus, kaip yra dabartiniuose kompiuteriuose ir medžiagose, kurios tiriamos kvantiniam skaičiavimui. 

Norėdami įveikti šiuos iššūkius, komanda pirmiausia panaudojo du šviesos impulsus, kurių energijos skalės atitinka judamųjų puslaidininkių elektronų impulsus. Pirmasis impulsas buvo infraraudonųjų spindulių šviesa, kuri perkelia elektronus į būseną, leidžiančią jiems keliauti per medžiagą. Antrasis impulsas buvo mažesnės energijos terahercinis impulsas, kuris priverčia elektronus į kontroliuojamas susidūrimo trajektorijas. Kai elektronai trenkiasi, jie sukuria šviesos pliūpsnius, kurie atskleidžia sąveiką už kvantinės informacijos ir egzotinių kvantinių medžiagų. 

"Mes naudojome du impulsus - vieną, kuris energetiškai suderinamas su elektrono būsena, o tada antrą impulsą, dėl kurio būsena pasikeičia", - paaiškino Kira. „Iš esmės galime nufilmuoti, kaip šie du impulsai keičia elektrono kvantinę būseną ir tada išreikšti tai kaip laiko funkciją. 

Ši nauja laiko sukurta seka leidžia labai tiksliai matuoti laiką. 

„Tai tikrai unikalu ir mums prireikė daug metų tobulėti“, - sakė Huberis. „Gana netikėta, kad tokie didelio tikslumo matavimai netgi įmanomi, jei prisimenate, koks juokingai trumpas yra vienas šviesos virpesių ciklas, o mūsų laiko skiriamoji geba dar šimtą kartų greitesnė. 

Kvantinis skaičiavimas gali išspręsti daugybę problemų, kurios yra per sudėtingos tradiciniam skaičiavimui, o kvantinių galimybių pažanga gali padėti rasti daugybę sprendimų. 

Markus Borsch yra UM elektros ir kompiuterių inžinerijos doktorantas ir tyrimo bendraautoris.

„Iki šiol niekam nepavyko sukurti keičiamo dydžio ir gedimams atsparaus kvantinio kompiuterio, ir mes net nežinome, kaip tai atrodytų“, – sakė Borschas. „Tačiau pagrindiniai tyrimai, tokie kaip elektroninis judėjimas kietose medžiagose, gali duoti mums idėją, kuri nukreipia mus teisinga linkme.