Захват движения электронов помогает максимизировать традиционную и квантовую вычислительную технику

Команда исследователей из Университета Мичигана и Университета Регенсбурга захватила движение электронов на самой высокой скорости на сегодняшний день. Команда захватила его в аттосекундах, и это новое развитие может помочь максимизировать традиционную или квантовую вычислительную скорость. Исследование дает новые представления о том, как электроны ведут себя в твердых телах.

Исследование было опубликовано в Nature.

Увеличение скорости обработки

Благодаря наблюдению за движением электронов в этих небольших интервалах, которые составляют одну квинтиллионную долю секунды, эксперты могут увеличить скорость обработки до миллиарда раз быстрее, чем текущие возможности.

Маккило Кира, который возглавлял теоретическую часть исследования, является профессором электротехники и компьютерных наук Университета Мичигана.

“Ваш текущий компьютерный процессор работает на гигагерцах, это одна миллиардная доля секунды на операцию”, – сказал Кира. “В квантовом компьютере это чрезвычайно медленно, потому что электроны внутри компьютерной микросхемы сталкиваются триллионы раз в секунду, и каждый столкновение завершает цикл квантовых вычислений”.

“Нам нужно было, чтобы продвинуть производительность вперед, получить снимки движения электронов, которые на миллиард раз быстрее. И теперь у нас это есть”.

По словам Руперта Хубера, который является профессором физики Университета Регенсбурга и соответствующим автором исследования, результаты могут существенно повлиять на область многих тел физики, даже больше, чем на вычислительную технику.

Хубер возглавлял исследование.

“Взаимодействия многих тел являются микроскопическими движущими силами за наиболее ценимые свойства твердых тел – от оптических и электронных подвигов до интригующих фазовых переходов – но они были чрезвычайно трудными для доступа”, – сказал Хубер. “Наш твердотельный аттосекундный часовой механизм может стать настоящим прорывом, позволяющим нам проектировать новые квантовые материалы с более точно подобранными свойствами и помочь разработать новые материалы для будущей квантовой информационной технологии”.

Наблюдение за движением электронов

Исследователи традиционно полагались на короткие всплески фокусированного экстремального ультрафиолетового (XUV) света, чтобы увидеть движение электронов внутри двумерных квантовых материалов. XUV всплески показывают активность электронов, прикрепленных к ядру атома. Однако большое количество энергии, переносимой всплесками, затрудняет четкое наблюдение электронов, которые движутся через полупроводники, что является случаем в текущих компьютерах и материалах, исследуемых для квантовых вычислений.

Чтобы преодолеть эти проблемы, команда сначала использовала два световых импульса с энергетическими масштабами, соответствующими энергетическим масштабам подвижных электронов полупроводника. Первый импульс был инфракрасным светом, который ставит электроны в состояние, позволяющее им двигаться через материал. Второй импульс был импульсом терагерцового излучения с более низкой энергией, который заставляет электроны сталкиваться в контролируемых головных столкновениях. Когда электроны сталкиваются, они производят всплески света, которые показывают взаимодействия за квантовой информацией и экзотическими квантовыми материалами.

“Мы использовали два импульса – один, который энергетически соответствует состоянию электрона, и затем второй импульс, который заставляет состояние измениться”, – объяснил Кира. “Мы можем фактически снять, как эти два импульса меняют квантовое состояние электрона и затем выразить это как функцию времени”.

Эта новая последовательность, разработанная командой, позволяет измерять время с высокой точностью.

“Это действительно уникально и заняло у нас много лет разработки”, – сказал Хубер. “Это довольно неожиданно, что такие высокоточные измерения вообще возможны, если вспомнить, насколько абсурдно короток один цикл колебаний света – и наше временное разрешение в сто раз быстрее”.

Квантовые вычисления могут решить бесчисленные проблемы, которые слишком сложны для традиционных вычислений, и достижения в квантовых возможностях могут привести к многим решениям.

Маркус Борш является аспирантом Университета Мичигана по электротехнике и компьютерным наукам и соавтором исследования.

“Никто еще не смог построить масштабируемый и отказоустойчивый квантовый компьютер, и мы даже не знаем, как это должно выглядеть”, – сказал Борш. “Но базовые исследования, такие как изучение того, как электронное движение в твердых телах работает на самых фундаментальных уровнях, могут дать нам идею, которая приведет нас в правильном направлении”.