การจับภาพการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมและควอนตัม

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนและมหาวิทยาลัยเรเกนสบวร์กได้จับภาพการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนด้วยความเร็วที่เร็วที่สุดจนถึงปัจจุบัน ทีมนักวิจัยจับภาพการเคลื่อนไหวนี้ในหน่วยอัตโตวินาที และการพัฒนานี้อาจช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมและควอนตัมได้ การวิจัยนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับวิธีการที่อิเล็กตรอนเคลื่อนไหวในของแข็ง

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Nature

การเพิ่มความเร็วในการประมวลผล

โดยการเห็นอิเล็กตรอนเคลื่อนไหวในระยะเวลาที่สั้นเหล่านี้ ซึ่งเป็นหนึ่งในควินติลเลียนที่สุดของวินาที ผู้เชี่ยวชาญสามารถเพิ่มความเร็วในการประมวลผลได้ถึงหนึ่งพันล้านเท่าของความสามารถปัจจุบัน

Mackilo Kira ผู้นำด้านทฤษฎีของการวิจัยนี้ เป็นศาสตราจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ของ U-M

“โปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์ของคุณในปัจจุบันทำงานในระดับกิกะเฮิรตซ์ ซึ่งเป็นหนึ่งพันล้านวินาทีต่อการดำเนินการ” Kira กล่าว “ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม นี่เป็นความเร็วที่ช้ามาก เนื่องจากอิเล็กตรอนภายในชิปคอมพิวเตอร์ชนกันหลายล้านครั้งต่อวินาที และการชนแต่ละครั้งจะสิ้นสุดการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม”

“สิ่งที่เราต้องการเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพคือภาพถ่ายของการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนที่เร็วขึ้นหนึ่งพันล้านเท่า และตอนนี้เรามีมันแล้ว”

ตามที่ Rupert Huber ผู้นำการวิจัยและศาสตราจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยเรเกนสบวร์กและผู้เขียนการวิจัย ผลการวิจัยนี้อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อสาขาฟิสิกส์ของอนุภาคหลายตัว ซึ่งมากกว่าความเร็วในการประมวลผล

ฮูเบอร์เป็นผู้นำการวิจัย

“การโต้ตอบระหว่างอนุภาคหลายตัวเป็นแรงผลักดันระดับจุลภาคที่อยู่เบื้องหลังคุณสมบัติที่ต้องการมากที่สุดของของแข็ง — ตั้งแต่ความสามารถทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ไปจนถึงการเปลี่ยนเฟสที่น่าสนใจ — แต่การโต้ตอบเหล่านี้ยากที่จะเข้าถึง” ฮูเบอร์กล่าว “เครื่องมือ attoclock ของเราสามารถกลายเป็นเครื่องมือที่เปลี่ยนแปลงเกมได้ โดยทำให้เราสามารถออกแบบวัสดุควอนตัมใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ปรับให้เหมาะสมได้ และช่วยพัฒนาพลตฟอร์มวัสดุใหม่สำหรับเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมในอนาคต”

การตรวจสอบการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอน

นักวิจัยมักจะพึ่งพาการใช้แสงอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว (XUV) ในระยะเวลาสั้นเพื่อดูการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนภายในวัสดุควอนตัมสองมิติ การใช้แสง XUV เผยให้เห็นกิจกรรมของอิเล็กตรอนที่ยึดกับแกนกลางของอะตอม อย่างไรก็ตาม พลังงานที่มากในแสง XUV ทำให้การตรวจสอบอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านซีเม็นคอนดักเตอร์เป็นเรื่องที่ยาก ซึ่งเป็นกรณีของคอมพิวเตอร์และวัสดุที่กำลังถูกสำรวจสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม

เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ ทีมนักวิจัยใช้สองพัลส์แสงด้วยระดับพลังงานที่ตรงกับอิเล็กตรอนเซมิคอนดักเตอร์ที่สามารถเคลื่อนไหวได้ พัลส์แรกคือแสงอินฟราเรด ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนเข้าสู่สถานะที่สามารถเคลื่อนผ่านวัสดุได้ พัลส์ที่สองคือพัลส์เทรฮερ์ตซ์ที่มีพลังงานต่ำกว่า ซึ่งบังคับให้อิเล็กตรอนเข้าสู่การชนกันแบบหัวต่อหัว เมื่ออิเล็กตรอนชนกัน จะเกิดการปลดปล่อยแสง ซึ่งเผยให้เห็นการโต้ตอบที่อยู่เบื้องหลังข้อมูลควอนตัมและวัสดุควอนตัมที่แปลกใหม่

“เราใช้สองพัลส์ — พัลส์หนึ่งที่มีพลังงานตรงกับสถานะของอิเล็กตรอน และพัลส์อีกพัลส์ที่ทำให้สถานะเปลี่ยน” Kira อธิบาย “เราสามารถถ่ายภาพวิธีการที่พัลส์ทั้งสองนี้เปลี่ยนสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนและแสดงเป็นฟังก์ชันของเวลา”

ลำดับใหม่นี้ที่พัฒนาโดยทีมนักวิจัยช่วยให้สามารถวัดเวลาได้ด้วยความแม่นยำสูง

“สิ่งนี้เป็นเรื่องที่ไม่คาดคิดและต้องใช้เวลาหลายปีในการพัฒนา” ฮูเบอร์กล่าว “เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจที่การวัดที่มีความแม่นยำสูงเช่นนี้เป็นไปได้ หากคุณจำได้ว่าวงจรการแกว่งของแสงเป็นเวลาที่สั้นมาก — และความละเอียดของเวลาของเรามีความเร็วมากกว่า 100 เท่า”

คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถแก้ปัญหาที่ซับซ้อนได้มากมายที่คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้ และความก้าวหน้าในความสามารถควอนตัมอาจนำไปสู่วิธีแก้ปัญหาหลายอย่าง

Markus Borsch เป็นนักศึกษาระดับ博士จาก U-M ในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์และเป็นผู้เขียนร่วมของการวิจัย

“ไม่มีใครสามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีขนาดใหญ่และทนทานต่อข้อผิดพลาดได้จนถึงตอนนี้ และเรายังไม่รู้ว่ามันจะดูเหมือนอะไร” Borsch กล่าว “แต่การวิจัยพื้นฐาน เช่น การศึกษาว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนไหวในของแข็งในระดับพื้นฐานที่สุด อาจให้ความคิดที่นำเราไปในทิศทางที่ถูกต้อง”