Elektronrörelse som fångar hjälper till att maximera traditionell och kvantberäkning

Ett team av forskare från University of Michigan och University of Regensburg har fångat elektronrörelse i den snabbaste hastigheten hittills. Teamet fångade det i attosekunder, och denna nya utveckling kan hjälpa till att maximera traditionell eller kvantberäkningshastighet. Forskningen ger ny insikt i hur elektroner beter sig i fast ämne.

Studien publicerades i Nature.

Ökning av bearbetningshastighet

Genom att se elektroner röra sig i dessa små inkrement, som är en kvintilliondel av en sekund, kan experter öka bearbetningshastigheten upp till en miljard gånger snabbare än nuvarande förmåga.

Mackilo Kira, som ledde de teoretiska aspekterna av studien, är en U-M professor i elektroteknik och datavetenskap.

“Din nuvarande dators processor fungerar i gigahertz, det är en miljarddel av en sekund per operation”, sa Kira. “I kvantberäkning är det extremt långsamt eftersom elektroner inom en datorchip kolliderar miljarder gånger per sekund och varje kollision avbryter kvantberäkningscykeln.”

“Vad vi har behövt, för att driva prestanda framåt, är ögonblicksbilder av den elektroniska rörelsen som är en miljard gånger snabbare. Och nu har vi det.”

Enligt Rupert Huber, som är professor i fysik vid University of Regensburg och korresponderande författare till studien, kan resultaten ha en stor inverkan på området för många-kroppsfysik, ännu mer än beräkning.

Huber ledde studien.

“Många-kroppsväxelverkningar är de mikroskopiska drivkrafterna bakom de mest eftertraktade egenskaperna hos fast ämne – från optiska och elektroniska bedrifter till intressanta fasövergångar – men de har varit notoriskt svåra att komma åt”, sa Huber. “Vår fastämnes-attoclock kan bli en riktig spelväxlare, som möjliggör design av nya kvantmaterial med mer exakt anpassade egenskaper och hjälper till att utveckla nya materialplattformar för framtida kvantinformationsteknologi.”

Observation av elektronrörelse

Forskare har traditionellt förlitat sig på korta pulser av fokuserat extremt ultraviolett (XUV) ljus för att se elektronrörelse inom tvådimensionella kvantmaterial. XUV-pulserna avslöjar aktiviteten hos elektroner som är bundna till en atoms kärna. Men den stora mängden energi som finns i pulserna gör det svårt att observera elektroner som rör sig genom halvledare, vilket är fallet i nuvarande datorer och material som undersöks för kvantberäkning.

För att övervinna dessa utmaningar använde teamet först två ljuspulser med energiskalor som matchar de rörliga halvledarelektronerna. Den första pulsen var infraröd ljus, som sätter elektroner i en tillstånd som möjliggör att de kan röra sig genom materialet. Den andra pulsen var en lägre-energi-terahertzpuls, som tvingar elektroner i kontrollerade frontalkollisionsbanor. När elektroner kolliderar producerar de ljusblixtar, som avslöjar interaktioner bakom kvantinformation och exotiska kvantmaterial.

“Vi använde två pulser – en som är energimässigt matchad med tillståndet för elektronen, och sedan en andra puls som orsakar tillståndet att ändras”, förklarade Kira. “Vi kan i princip filma hur dessa två pulser ändrar elektronens kvanttillstånd och sedan uttrycka det som en funktion av tid.”

Denna nya sekvens som utvecklats av tiden möjliggör tidsmätning med hög precision.

“Detta är verkligen unikt och tog oss många år av utveckling”, sa Huber. “Det är ganska oväntat att så högprecisionsmätningar ens är möjliga om man minns hur otroligt kort en enda oscillationscykel av ljus är – och vår tidsupplösning är hundra gånger snabbare än så.”

Kvantberäkning kan lösa otaliga problem som är för komplexa för traditionell beräkning, och framsteg inom kvantförmåga kan leda till många lösningar.

Markus Borsch är en U-M doktorand i elektroteknik och datavetenskap och medförfattare till studien.

“Ingen har kunnat bygga en skalbar och fel tolererant kvantdator hittills och vi vet inte ens vad det skulle se ut som”, sa Borsch. “Men grundforskning som studier av hur elektronisk rörelse i fast ämne fungerar på de mest grundläggande nivåerna kan ge oss en idé som leder oss i rätt riktning.”