Bevegelse av Elektroner Hjelper Med å Maksimere Tradisjonell og Kvantecomputing

Et team av forskere fra University of Michigan og University of Regensburg har fanget bevegelse av elektroner med den raskeste hastigheten til dags dato. Teamet fanget det i attosekunder, og denne nye utviklingen kan hjelpe med å maksimere tradisjonell eller kvantecomputing-hastighet. Forskningen gir ny innsikt i hvordan elektroner oppfører seg i faste stoffer. 

Studien ble publisert i Nature. 

Økning av Prosesseringshastighet

Ved å se elektroner bevege seg i disse små inkrementene, som er en kvintilliondel av en sekund, kan eksperter øke prosesseringshastigheten opp til en milliard ganger raskere enn nåværende evner. 

Mackilo Kira, som ledet de teoretiske aspektene av studien, er en U-M professor i elektroteknikk og datavitenskap. 

“Din nåværende datamaskins prosessor opererer i gigahertz, det er en milliarddel av en sekund per operasjon,” sa Kira. “I kvantecomputing er det ekstremt langsomt fordi elektroner inni en datamaskin-krets kolliderer billioner av ganger i sekundet og hver kollisjon avslutter kvantecomputing-syklusen.” 

“Hva vi har trengt, for å skyve ytelsen fremover, er bilder av denne elektronbevegelsen som er en milliard ganger raskere. Og nå har vi det.” 

Ifølge Rupert Huber, som er en professor i fysikk ved University of Regensburg og korresponderende forfatter av studien, kan resultater ha en stor innvirkning på feltet many-body fysikk, enda mer enn computing. 

Huber ledet studien. 

“Many-body-interaksjoner er de mikroskopiske drivkreftene bak de mest ettertrakte egenskapene til faste stoffer — fra optiske og elektroniske bedrifter til intrigerende fasetransisjoner — men de har vært notorisk vanskelige å få tilgang til,” sa Huber. “Vår faste tilstand-attoclock kunne bli en virkelig game-changer, som tillater oss å designe nye kvantematerialer med mer presist tilpassede egenskaper og hjelpe med å utvikle nye materialplattformer for fremtidig kvanteinformasjonsteknologi.” 

Observasjon av Elektronbevegelse

Forskere har tradisjonelt avhengig av korte pulser av fokusert ekstremt ultraviolett (XUV) lys for å se elektronbevegelse innen to-dimensjonale kvantematerialer. XUV-pulsene avslører aktiviteten til elektroner festet til en atoms kjerne. Imidlertid gjør den store mengden energi som bæres i pulsene det vanskelig for tydelig observasjon av elektroner som reiser gjennom halvledere, som er tilfelle i nåværende datamaskiner og materialer som utforskes for kvantecomputing. 

For å overvinne disse utfordringene, brukte teamet først to lyspulser med energiskalaer som matcher de flyttbare halvleder-elektronene. Den første pulsen var infrarød lys, som setter elektronene i en tilstand som gjør dem i stand til å reise gjennom materialet. Den andre pulsen var en lavere-energi terahertz-puls, som tvinger elektronene inn i kontrollerte front-kollisjonsbaner. Når elektronene kolliderer, produserer de lysglimt, som avslører interaksjoner bak kvanteinformasjon og eksotiske kvantematerialer. 

“Vi brukte to pulser — en som er energimessig sammenfallende med tilstanden til elektronen, og så en annen puls som forårsaker tilstanden til å endre,” forklarte Kira. “Vi kan i praksis filme hvordan disse to pulsene endrer elektronens kvantetilstand og så uttrykke det som en funksjon av tid.” 

Denne nye sekvensen utviklet av teamet muliggjør tidmåling med høy presisjon. 

“Dette er virkelig unikt og tok oss mange år med utvikling,” sa Huber. “Det er ganske uventet at så høy-presisjons målinger er mulig hvis du husker hvor latterlig kort en enkelt oscillasjonssyklus av lys er — og vår tidsløsning er hundre ganger raskere enn det.” 

Kvantecomputing kan løse talløse problemer som er for komplekse for tradisjonell computing, og fremgang i kvante-egenskaper kan føre til mange løsninger. 

Markus Borsch er en U-M doktorand i elektroteknikk og datavitenskap og medforfatter av studien.

“Ingen har vært i stand til å bygge en skalerbar og feiltolerant kvantecomputer så langt og vi vet ikke engang hva det ville se ut som,” sa Borsch. “Men grunnleggende forskning som studier av hvordan elektronbevegelse i faste stoffer fungerer på de mest grunnleggende nivåene, kan gi oss en idé som leder oss i riktig retning.”