Poznanie ruchu elektronów pomaga maksymalizować tradycyjne i kwantowe przetwarzanie

Zespół badaczy z Uniwersytetu Michigan i Uniwersytetu Regensburga uchwycił ruch elektronów z największą dotąd prędkością. Zespół uchwycił go w attosekundach, a ten nowy rozwój może pomóc w maksymalizacji tradycyjnych lub kwantowych prędkości przetwarzania. Badanie dostarcza nowej wiedzy na temat zachowania się elektronów w ciałach stałych.

Badanie zostało opublikowane w Nature.

Zwiększanie prędkości przetwarzania

Dzięki obserwacji ruchu elektronów w takich małych przyrostach, które są jedną kwintylionową sekundy, eksperci mogą zwiększyć prędkość przetwarzania nawet o miliard razy szybciej niż obecne możliwości.

Mackilo Kira, który kierował aspektami teoretycznymi badania, jest profesorem elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Michigan.

„Twoja obecna komputera procesor działa w gigahercach, to jest jedna miliardowa sekundy na operację”, powiedział Kira. „W przetwarzaniu kwantowym jest to niezwykle wolne, ponieważ elektrony wewnątrz układu scalonego zderzają się biliony razy na sekundę, a każde zderzenie kończy cykl przetwarzania kwantowego.”

„To, czego potrzebowaliśmy, aby przesunąć wydajność do przodu, to migawki ruchu elektronów, które są miliard razy szybsze. I teraz je mamy.”

Według Ruperta Hubera, który jest profesorem fizyki na Uniwersytecie Regensburga i korespondencyjnym autorem badania, wyniki mogą mieć ogromny wpływ na dziedzinę fizyki wielu ciał, nawet bardziej niż na przetwarzanie.

Huber kierował badaniem.

„Wzajemne oddziaływania wielu ciał są mikroskopowymi siłami napędowymi za najbardziej pożądanymi właściwościami ciał stałych – od osiągnięć optycznych i elektronicznych po interesujące przejścia fazowe – ale były one notorycznie trudne do uzyskania”, powiedział Huber. „Nasz zegar attosekundowy dla ciał stałych może stać się prawdziwym przełomem, umożliwiając nam projektowanie nowych materiałów kwantowych z bardziej precyzyjnie dostosowanymi właściwościami i pomóc w rozwoju nowych platform materiałowych dla przyszłej technologii informacji kwantowej.”

Obserwacja ruchu elektronów

Badacze tradycyjnie polegali na krótkich impulsach skupionej ekstremalnej światłości ultrafioletowej (XUV), aby obserwować ruch elektronów w materiałach kwantowych dwuwymiarowych. Impulsy XUV ujawniają aktywność elektronów dołączonych do jądra atomu. Jednak duża ilość energii przenoszonej przez impulsy XUV utrudnia wyraźną obserwację elektronów, które poruszają się przez półprzewodniki, co jest przypadkiem w obecnych komputerach i materiałach badanych dla przetwarzania kwantowego.

Aby pokonać te wyzwania, zespół najpierw zastosował dwa impulsy światła o skali energii odpowiadającej energii poruszających się elektronów półprzewodnikowych. Pierwszy impuls był światłem podczerwonym, które wprowadza elektrony w stan umożliwiający im poruszanie się przez materiał. Drugi impuls był impulsem terahercowym o niższej energii, który zmusza elektrony do kontrolowanych zderzeń czołowych. Gdy elektrony zderzają się, wytwarzają impulsy światła, które ujawniają interakcje za informacjami kwantowymi i egzotycznymi materiałami kwantowymi.

„Użyliśmy dwóch impulsów – jednego, który jest energetycznie dopasowany do stanu elektronu, a następnie drugiego impulsu, który powoduje zmianę stanu”, wyjaśnił Kira. „Możemy praktycznie sfilmować, jak te dwa impulsy zmieniają stan kwantowy elektronu i wyrazić to jako funkcję czasu.”

Ta nowa sekwencja opracowana przez zespół umożliwia pomiar czasu z wysoką precyzją.

„To jest naprawdę unikalne i zajęło nam wiele lat rozwoju”, powiedział Huber. „Jest dość nieoczekiwane, że takie wysokiej precyzji pomiary są nawet możliwe, jeśli pamiętasz, jak absurdalnie krótki jest jeden cykl oscylacji światła – a nasza rozdzielczość czasowa jest sto razy szybsza.”

Przetwarzanie kwantowe może rozwiązać niezliczoną ilość problemów, które są zbyt złożone dla tradycyjnego przetwarzania, a postępy w możliwościach kwantowych mogą prowadzić do wielu rozwiązań.

Markus Borsch jest doktorantem na Uniwersytecie Michigan w dziedzinie elektrotechniki i informatyki oraz współautorem badania.

„Nikt jeszcze nie zbudował skalowalnego i niezawodnego komputera kwantowego i nawet nie wiemy, jak to wygląda”, powiedział Borsch. „Ale podstawowe badania, takie jak studium, jak ruch elektronów w ciałach stałych działa na najbardziej podstawowych poziomach, mogą dać nam pomysł, który poprowadzi nas w dobrym kierunku.”