Przechwytywanie ruchu elektronów pomaga zmaksymalizować wykorzystanie obliczeń tradycyjnych i kwantowych

Zespół naukowców z Uniwersytetu Michigan i Uniwersytetu w Ratyzbonie zarejestrował najszybszy jak dotąd ruch elektronów. Zespół ujął to w attosekundach, a to nowe osiągnięcie może pomóc zmaksymalizować prędkości obliczeń tradycyjnych lub kwantowych. Badania dostarczają nowego wglądu w zachowanie elektronów w ciałach stałych. 

Badanie zostało opublikowane w Natura. 

Zwiększanie prędkości przetwarzania

Widząc, jak elektrony poruszają się w małych odstępach czasu, wynoszących jedną trylionową sekundy, eksperci mogliby zwiększyć prędkość przetwarzania nawet miliard razy szybciej niż obecne możliwości. 

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

„Procesor twojego obecnego komputera działa w gigahercu, czyli jednej miliardowej sekundy na operację” – powiedziała Kira. „W obliczeniach kwantowych jest to niezwykle powolne, ponieważ elektrony w chipie komputerowym zderzają się tryliony razy na sekundę, a każda kolizja kończy cykl obliczeń kwantowych”. 

„Aby zwiększyć wydajność, potrzebowaliśmy migawek ruchu elektronów, który jest miliard razy szybszy. I teraz to mamy.” 

Według Ruperta Hubera, profesora fizyki na Uniwersytecie w Ratyzbonie i współautora badania, wyniki mogą znacząco wpłynąć na fizykę wielu ciał, nawet bardziej niż na obliczenia. 

Huber prowadził badanie. 

„Interakcje wielu ciał to mikroskopijne siły napędowe najbardziej pożądanych właściwości ciał stałych – od osiągnięć optycznych i elektronicznych po intrygujące przejścia fazowe – ale dostęp do nich jest niezwykle trudny” – powiedział Huber. „Nasz półprzewodnikowy zegar może naprawdę zmienić reguły gry, umożliwiając nam projektowanie nowatorskich materiałów kwantowych o bardziej precyzyjnie dostosowanych właściwościach i pomaganie w opracowywaniu nowych platform materiałowych dla przyszłej technologii informacji kwantowej”. 

Obserwowanie ruchu elektronów

Aby zobaczyć ruch elektronów w dwuwymiarowych materiałach kwantowych, badacze tradycyjnie polegali na krótkich błyskach skupionego światła ekstremalnego ultrafioletu (XUV). Błyski XUV ujawniają aktywność elektronów dołączonych do jądra atomu. Jednakże duża ilość energii przenoszonej w błyskach utrudnia wyraźną obserwację elektronów przemieszczających się przez półprzewodniki, co ma miejsce w obecnych komputerach i materiałach wykorzystywanych do obliczeń kwantowych. 

Aby pokonać te wyzwania, zespół najpierw zastosował dwa impulsy świetlne o skali energii odpowiadającej skalom energii ruchomych elektronów półprzewodnikowych. Pierwszym impulsem było światło podczerwone, które wprowadza elektrony w stan umożliwiający im podróż przez materiał. Drugi impuls był impulsem terahercowym o niższej energii, który zmusza elektrony do podążania po kontrolowanych trajektoriach zderzenia czołowego. Kiedy elektrony się zderzają, wytwarzają rozbłyski światła, które ujawniają interakcje stojące za informacją kwantową i egzotycznymi materiałami kwantowymi. 

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

Ta nowa, opracowana przez czas sekwencja umożliwia pomiar czasu z dużą precyzją. 

„To naprawdę wyjątkowe rozwiązanie, którego rozwój zajął nam wiele lat” – powiedział Huber. „To całkiem nieoczekiwane, że tak precyzyjne pomiary są w ogóle możliwe, jeśli pamięta się, jak absurdalnie krótki jest pojedynczy cykl oscylacji światła – a nasza rozdzielczość czasowa jest jeszcze sto razy większa”. 

Obliczenia kwantowe mogą rozwiązać niezliczone problemy, które są zbyt złożone dla tradycyjnych obliczeń, a postęp w możliwościach kwantowych może prowadzić do wielu rozwiązań. 

Markus Borsch jest doktorantem UM w zakresie inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz współautorem opracowania.

„Nikt jak dotąd nie był w stanie zbudować skalowalnego i odpornego na uszkodzenia komputera kwantowego i nawet nie wiemy, jak by to wyglądało” – powiedział Borsch. „Ale badania podstawowe, takie jak badanie działania ruchu elektronowego w ciałach stałych na najbardziej podstawowych poziomach, mogą dać nam pomysł, który poprowadzi nas we właściwym kierunku”.