Elektronenbeweging vastleggen helpt bij het maximaliseren van traditionele en kwantumcomputing

Een team van onderzoekers van de University of Michigan en de University of Regensburg heeft elektronenbeweging vastgelegd op de snelste snelheid tot nu toe. Het team legde het vast in attoseconden, en deze nieuwe ontwikkeling kan helpen bij het maximaliseren van traditionele of kwantumcomputersnelheden. Het onderzoek biedt nieuwe inzichten in hoe elektronen zich in vaste stoffen gedragen.

De studie werd gepubliceerd in Nature.

Verhoging van de verwerkingssnelheid

Door elektronen te zien bewegen in deze kleine incrementen, die een quintiljoenste van een seconde zijn, kunnen experts de verwerkingssnelheden verhogen tot een miljard keer sneller dan de huidige mogelijkheden.

Mackilo Kira, die de theoretische aspecten van de studie leidde, is een professor in de elektrotechniek en informatica aan de U-M.

“Uw huidige computerprocessor werkt in gigahertz, dat is een miljardste van een seconde per bewerking”, zei Kira. “In kwantumcomputing is dat extreem langzaam, omdat elektronen binnen een computerchip triljarden keren per seconde botsen en elke botsing de kwantumcomputercyclus beëindigt.”

“Wat we nodig hadden om de prestaties vooruit te helpen, waren momentopnames van die elektronenbeweging die een miljard keer sneller zijn. En nu hebben we dat.”

Volgens Rupert Huber, die een professor in de natuurkunde is aan de University of Regensburg en corresponderend auteur van de studie, kunnen de resultaten een grote impact hebben op het gebied van veel-deeltjesfysica, nog meer dan op computing.

Huber leidde de studie.

“Veel-deeltjesinteracties zijn de microscopische drijvende krachten achter de meest gewilde eigenschappen van vaste stoffen – van optische en elektronische prestaties tot intrigerende fasetransities – maar ze zijn notoir moeilijk toegankelijk”, zei Huber. “Onze vastestof-attoseconde kan een echte game-changer worden, waardoor we nieuwe kwantummateriaal kunnen ontwerpen met meer precies afgestemde eigenschappen en helpen bij de ontwikkeling van nieuwe materiaalplatforms voor toekomstige kwantuminformatietechnologie.”

Waarneming van elektronenbeweging

Onderzoekers hebben traditioneel vertrouwd op korte bursts van gefocuste extreme ultraviolette (XUV) licht om elektronenbeweging in tweedimensionale kwantummateriaal te zien. De XUV-bursts onthullen de activiteit van elektronen die zijn bevestigd aan de nucleus van een atoom. Echter, de grote hoeveelheid energie die in de bursts wordt gedragen, maakt het moeilijk om duidelijk waar te nemen van de elektronen die door halfgeleiders reizen, wat het geval is in huidige computers en materialen die worden onderzocht voor kwantumcomputing.

Om deze uitdagingen te overwinnen, gebruikte het team eerst twee lichtpulsen met energieniveaus die overeenkomen met die van de beweegbare halfgeleider-elektronen. De eerste puls was infrarood licht, dat de elektronen in een toestand brengt die het mogelijk maakt om door het materiaal te reizen. De tweede puls was een lagere-energie-terahertzpuls, die de elektronen in gecontroleerde frontale botsingstrajecten dwingt. Wanneer de elektronen botsen, produceren ze lichtburst, die interacties achter kwantuminformatie en exotische kwantummateriaal onthult.

“We gebruikten twee pulsen – een die energetisch overeenkomt met de toestand van het elektron, en dan een tweede puls die de toestand verandert”, legde Kira uit. “We kunnen letterlijk filmen hoe deze twee pulsen de kwantumtoestand van het elektron veranderen en dat dan uitdrukken als een functie van de tijd.”

Deze nieuwe sequentie die door de tijd is ontwikkeld, maakt het mogelijk om tijdmetingen met hoge precisie uit te voeren.

“Dit is echt uniek en heeft ons vele jaren van ontwikkeling gekost”, zei Huber. “Het is nogal onverwacht dat dergelijke hoge-precisie metingen überhaupt mogelijk zijn, als je bedenkt hoe ridicuul kort een enkele oscillatiecyclus van licht is – en onze tijdsresolutie is honderd keer sneller nog.”

Kwantumcomputing kan oneindig veel problemen oplossen die te complex zijn voor traditionele computing, en vooruitgang in kwantumcapaciteiten kan leiden tot veel oplossingen.

Markus Borsch is een U-M-promovendus in elektrotechniek en informatica en co-auteur van de studie.

“Niemand is erin geslaagd om een schaalbare en fouttolerante kwantumcomputer te bouwen en we weten niet eens wat dat zou moeten zijn”, zei Borsch. “Maar basisonderzoek zoals het bestuderen van hoe elektronenbeweging in vaste stoffen werkt op het meest fundamentele niveau, kan ons een idee geven dat ons in de juiste richting leidt.”