Capturarea mișcării electronilor ajută la maximizarea vitezelor de calcul tradiționale și cuantice

O echipă de cercetători de la Universitatea din Michigan și Universitatea din Regensburg a capturat mișcarea electronilor la cea mai rapidă viteză până în prezent. Echipa a capturat-o în atosecunde, iar această nouă descoperire ar putea ajuta la maximizarea vitezelor de calcul tradiționale sau cuantice. Cercetarea oferă noi insight-uri cu privire la modul în care electronii se comportă în solide.

Studiul a fost publicat în Nature.

Creșterea vitezelor de procesare

Prin observarea mișcării electronilor în aceste intervale mici, care sunt o quintilianime de secundă, experții ar putea crește vitezele de procesare de până la un miliard de ori mai rapide decât capacitățile actuale.

Mackilo Kira, care a condus aspectele teoretice ale studiului, este profesor de inginerie electrică și știința calculatoarelor la Universitatea din Michigan.

“Procesorul calculatorului dvs. actual funcționează în gigahertzi, adică o miliardime de secundă pe operație”, a spus Kira. “În calculul cuantic, aceasta este extrem de lentă, deoarece electronii dintr-un cip de calculator se ciocnesc de trilioane de ori pe secundă și fiecare ciocnire încheie ciclul de calcul cuantic.”

“Ce am avut nevoie, pentru a avansa performanța, sunt imagini ale mișcării electronilor care sunt de o miliard de ori mai rapide. Și acum le avem.”

Conform lui Rupert Huber, care este profesor de fizică la Universitatea din Regensburg și autorul corespondent al studiului, rezultatele ar putea avea un impact semnificativ asupra domeniului fizicii cu multe corpuri, chiar mai mult decât asupra calculului.

Huber a condus studiul.

“Interacțiunile cu multe corpuri sunt forțele microscopice care conduc la proprietățile cele mai dorite ale solidelor – de la realizări optice și electronice la tranziții de fază interesante – dar au fost extrem de greu de accesat”, a spus Huber. “Ceasul nostru atomic solid ar putea deveni un adevărat schimbător de joc, permițându-ne să proiectăm materiale cuantice noi cu proprietăți mai precis definite și să dezvoltăm noi platforme de materiale pentru tehnologia informației cuantice viitoare.”

Observarea mișcării electronilor

Cercetătorii s-au bazat în mod tradițional pe pulsații scurte de lumină ultravioletă extremă (XUV) focalizată pentru a observa mișcarea electronilor în materiale cuantice bidimensionale. Pulsațiile XUV revelează activitatea electronilor atașați de nucleul unui atom. Cu toate acestea, cantitatea mare de energie transportată de pulsații face dificilă observarea clară a electronilor care călătoresc prin semiconductoare, ceea ce este cazul în computerele și materialele actuale explorează pentru calculul cuantic.

Pentru a depăși aceste provocări, echipa a folosit inițial două pulsații de lumină cu scară de energie care se potrivește cu cea a electronilor semiconductori mobili. Prima pulsație a fost lumina infraroșie, care pune electronii într-o stare care le permite să călătorească prin material. A doua pulsație a fost o pulsație terahertz de joasă energie, care forțează electronii în traiectorii de coliziune controlate. Când electronii se ciocnesc, produc pulsații de lumină, care revelează interacțiunile din spatele informației cuantice și a materialelor cuantice exotice.

“Am folosit două pulsații – una care este energetică, potrivită cu starea electronului, și apoi o a doua pulsație care schimbă starea”, a explicat Kira. “Putem filma cum aceste două pulsații schimbă starea cuantică a electronului și apoi o exprimăm ca o funcție a timpului.”

Această nouă secvență dezvoltată de echipă permite măsurarea timpului cu precizie ridicată.

“Acest lucru este cu adevărat unic și ne-a luat mulți ani de dezvoltare”, a spus Huber. “Este destul de neașteptat că astfel de măsurători de înaltă precizie sunt posibile, dacă vă amintiți cât de scurtă este o singură ciclu de oscilație a luminii – și rezoluția noastră temporală este de o sută de ori mai rapidă.”

Calculul cuantic poate rezolva nenumărate probleme care sunt prea complexe pentru calculul tradițional, iar progresele în capacitățile cuantice ar putea duce la multe soluții.

Markus Borsch este student doctorand în inginerie electrică și informatică la Universitatea din Michigan și coautor al studiului.

“Nimeni nu a reușit să construiască un calculator cuantic scalabil și tolerant la defecte până acum și nici măcar nu știm cum ar arăta”, a spus Borsch. “Dar cercetarea de bază, cum ar fi studiul modului în care mișcarea electronică în solide funcționează la nivelul cel mai fundamental, ne-ar putea oferi o idee care ne conduce în direcția corectă.”