Zachytenie pohybu elektrónov pomáha maximalizovať tradičné a kvantové výpočty

Tím výskumníkov z University of Michigan a University of Regensburg zachytil pohyb elektrónov doteraz najrýchlejšou rýchlosťou. Tím to zachytil v priebehu attosekúnd a tento nový vývoj by mohol pomôcť maximalizovať tradičné alebo kvantové výpočtové rýchlosti. Výskum poskytuje nový pohľad na to, ako sa elektróny správajú v pevných látkach. 

Štúdia bola uverejnená v roku 2006 príroda. 

Zvýšenie rýchlosti spracovania

Tým, že odborníci uvidia, ako sa elektróny pohybujú v týchto malých prírastkoch, ktoré sú jedna kvintilióntina sekundy, môžu zvýšiť rýchlosť spracovania až miliardu krát rýchlejšie, než sú súčasné možnosti. 

Mackilo Kira, ktorý viedol teoretické aspekty štúdie, je profesorom elektrotechniky a informatiky na UM. 

"Procesor vášho súčasného počítača pracuje v gigahertzoch, čo je jedna miliardtina sekundy na operáciu," povedala Kira. "V kvantovej výpočtovej technike je to extrémne pomalé, pretože elektróny v rámci počítačového čipu sa zrazia triliónkrát za sekundu a každá kolízia ukončí cyklus kvantových výpočtov." 

„To, čo sme potrebovali, aby sme posunuli výkon dopredu, sú snímky pohybu elektrónov, ktoré sú miliardkrát rýchlejšie. A teraz to máme." 

Podľa Ruperta Hubera, ktorý je profesorom fyziky na univerzite v Regensburgu a zodpovedajúcim autorom štúdie, by výsledky mohli výrazne ovplyvniť oblasť fyziky mnohých telies, dokonca viac ako výpočtová technika. 

Huber viedol štúdiu. 

"Interakcie mnohých telies sú mikroskopické hnacie sily najžiadanejších vlastností pevných látok - od optických a elektronických výkonov až po zaujímavé fázové prechody - ale je notoricky ťažké získať prístup," povedal Huber. "Naše polovodičové attoclock by sa mohli stať skutočným meničom hry, čo nám umožní navrhnúť nové kvantové materiály s presnejšie prispôsobenými vlastnosťami a pomôcť pri vývoji nových materiálových platforiem pre budúce kvantové informačné technológie." 

Pozorovanie pohybu elektrónov

Výskumníci sa tradične spoliehali na krátke záblesky zaostreného extrémneho ultrafialového (XUV) svetla, aby videli pohyb elektrónov v dvojrozmerných kvantových materiáloch. Výbuchy XUV odhaľujú aktivitu elektrónov pripojených k jadru atómu. Veľké množstvo energie prenášanej v výbuchoch však sťažuje jasné pozorovanie elektrónov, ktoré prechádzajú polovodičmi, čo je prípad súčasných počítačov a materiálov, ktoré sa skúmajú pre kvantové výpočty. 

Na prekonanie týchto výziev tím najprv použil dva svetelné impulzy s energetickými stupnicami, ktoré sa zhodujú s pohyblivými polovodičovými elektrónmi. Prvým impulzom bolo infračervené svetlo, ktoré uvádza elektróny do stavu, ktorý im umožňuje cestovať materiálom. Druhým impulzom bol terahertzový impulz s nižšou energiou, ktorý núti elektróny do riadených trajektórií čelnej zrážky. Keď elektróny havarujú, vytvárajú záblesky svetla, ktoré odhaľujú interakcie za kvantovými informáciami a exotickými kvantovými materiálmi. 

"Použili sme dva impulzy - jeden, ktorý je energeticky prispôsobený stavu elektrónu, a potom druhý impulz, ktorý spôsobí zmenu stavu," vysvetlil Kira. "V podstate môžeme nafilmovať, ako tieto dva impulzy menia kvantový stav elektrónu, a potom to vyjadriť ako funkciu času." 

Táto nová sekvencia vyvinutá časom umožňuje meranie času s vysokou presnosťou. 

"Je to skutočne jedinečné a trvalo nám to mnoho rokov vývoja," povedal Huber. "Je celkom neočakávané, že takéto vysoko presné merania sú vôbec možné, ak si spomeniete, aký smiešne krátky je cyklus jednej oscilácie svetla - a naše časové rozlíšenie je ešte stokrát rýchlejšie." 

Kvantové výpočty môžu vyriešiť nespočetné množstvo problémov, ktoré sú príliš zložité pre tradičné výpočty, a pokrok v kvantových schopnostiach môže viesť k mnohým riešeniam. 

Markus Borsch je doktorandom UM v odbore elektrotechnika a výpočtová technika a spoluautorom štúdie.

"Doteraz nikto nedokázal postaviť škálovateľný kvantový počítač odolný voči chybám a ani nevieme, ako by to vyzeralo," povedal Borsch. "Ale základný výskum, ako je štúdium toho, ako elektronický pohyb v pevných látkach funguje na najzákladnejších úrovniach, nám môže poskytnúť nápad, ktorý nás vedie správnym smerom."