Captura de Movimento de Elétrons Ajuda a Maximizar Computação Tradicional e Quântica

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade de Regensburg capturou o movimento de elétrons na velocidade mais rápida até o momento. A equipe capturou em attossegundos, e esse novo desenvolvimento pode ajudar a maximizar as velocidades de computação tradicional ou quântica. A pesquisa fornece novas informações sobre como os elétrons se comportam em sólidos.

O estudo foi publicado em Nature.

Aumentando as Velocidades de Processamento

Ao ver os elétrons se moverem em incrementos tão pequenos, que são um quintilhão de vezes mais rápidos do que um segundo, os especialistas podem aumentar as velocidades de processamento até um bilhão de vezes mais rápidas do que as capacidades atuais.

Mackilo Kira, que liderou os aspectos teóricos do estudo, é professor de engenharia elétrica e ciência da computação da U-M.

“O processador do seu computador atual opera em gigahertz, ou seja, um bilionésimo de segundo por operação”, disse Kira. “Na computação quântica, isso é extremamente lento, pois os elétrons dentro de um chip de computador colidem trilhões de vezes por segundo e cada colisão termina o ciclo de computação quântica.”

“O que precisamos, para impulsionar o desempenho, são imagens do movimento dos elétrons que sejam um bilhão de vezes mais rápidas. E agora temos isso.”

De acordo com Rupert Huber, que é professor de física da Universidade de Regensburg e autor correspondente do estudo, os resultados podem ter um grande impacto no campo da física de muitos corpos, ainda mais do que na computação.

Huber liderou o estudo.

“As interações de muitos corpos são as forças microscópicas que impulsionam as propriedades mais cobiçadas dos sólidos – desde feitos ópticos e eletrônicos até transições de fase intrigantes – mas elas têm sido notoriamente difíceis de acessar”, disse Huber. “Nosso relógio de estado sólido ato pode se tornar um verdadeiro game changer, permitindo que projetemos materiais quânticos novos com propriedades mais precisamente personalizadas e ajudar a desenvolver novas plataformas de materiais para a tecnologia da informação quântica futura.”

Observando o Movimento de Elétrons

Os pesquisadores tradicionalmente confiaram em breves explosões de luz ultravioleta extrema (XUV) focalizada para ver o movimento de elétrons dentro de materiais quânticos bidimensionais. As explosões de XUV revelam a atividade dos elétrons ligados ao núcleo de um átomo. No entanto, a grande quantidade de energia transportada nas explosões torna difícil a observação clara dos elétrons que viajam por semicondutores, que é o caso dos computadores atuais e dos materiais que estão sendo explorados para a computação quântica.

Para superar esses desafios, a equipe primeiro empregou dois pulsos de luz com escalas de energia que correspondem às dos elétrons móveis semicondutores. O primeiro pulso foi luz infravermelha, que coloca os elétrons em um estado que permite que eles viajem pelo material. O segundo pulso foi um pulso terahertz de baixa energia, que força os elétrons a colidir em trajetórias controladas. Quando os elétrons colidem, eles produzem explosões de luz, que revelam as interações por trás da informação quântica e dos materiais quânticos exóticos.

“Usamos dois pulsos – um que é energeticamente compatível com o estado do elétron e, em seguida, um segundo pulso que faz com que o estado mude”, explicou Kira. “Podemos basicamente filmar como esses dois pulsos mudam o estado quântico do elétron e, em seguida, expressá-lo como uma função do tempo.”

Essa nova sequência desenvolvida pelo tempo permite medições de tempo com alta precisão.

“Isso é realmente único e nos levou muitos anos de desenvolvimento”, disse Huber. “É bastante inesperado que medições de alta precisão sejam possíveis, considerando o quão ridiculamente curto é um único ciclo de oscilação da luz – e nossa resolução temporal é cem vezes mais rápida ainda.”

A computação quântica pode resolver inúmeros problemas que são muito complexos para a computação tradicional, e os avanços nas capacidades quânticas podem levar a muitas soluções.

Markus Borsch é um estudante de doutorado em engenharia elétrica e ciência da computação da U-M e coautor do estudo.

“Ninguém conseguiu construir um computador quântico escalável e tolerante a falhas até agora, e nem mesmo sabemos como isso seria”, disse Borsch. “Mas pesquisas básicas, como estudar como o movimento eletrônico em sólidos funciona nos níveis mais fundamentais, podem nos dar uma ideia que nos leve na direção certa.”