Elektron Hareketini Yakalamak Geleneksel ve Kuantum Bilgisayarların Maksimum Performansını Sağlar

Michigan Üniversitesi ve Regensburg Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, bugüne kadar kaydedilen en hızlı elektron hareketini yakaladı. Ekibin attosaniye cinsinden gerçekleştirdiği bu yeni gelişme, geleneksel veya kuantum bilgisayarların hızını maksimuma çıkarabilir. Araştırma, katı maddelerde elektronların davranışına ilişkin yeni bilgiler sağlar.

Çalışma Nature dergisinde yayımlandı.

İşlem Hızını Artırma

Uzmanlar, bu küçük artışlarla elektronların hareketini görerek, işlem hızlarını mevcut kapasitelerin milyarlarca katına çıkarabilir.

Çalışmanın teorik yönlerini yöneten Mackilo Kira, Michigan Üniversitesi’nde elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi profesörüdür.

“Mevcut bilgisayarınızın işlemcisi gigahertz cinsinden çalışır, bu da her işlem için saniyenin milyarda biri anlamına gelir” dedi Kira. “Kuantum bilgisayarlar için bu çok yavaştır, çünkü bir bilgisayar çipindeki elektronlar saniyede trilyonlarca kez çarpışır ve her çarpışma kuantum bilgisayarın döngüsünü sonlandırır.”

“Performansı ilerletmek için, elektron hareketinin milyarlarca kat daha hızlı anlık görüntülerine ihtiyacımız vardı. Şimdi bunları elde ettik.”

Regensburg Üniversitesi’nde fizik profesörü ve çalışmanın yazarı Rupert Huber’e göre, sonuçlar many-body fizik alanını, bilgisayardan daha fazla etkileyebilir.

Huber çalışmayı yönetti.

“Many-body etkileşimleri, katı maddelerin en çok arzu edilen özelliklerinin – optik ve elektronik başarılar da dahil olmak üzere – mikroskobik itici güçleridir, ancak bunlar erişilmesi zor olmuştur” dedi Huber. “Katı hal attosaniye saatimiz, yeni kuantum malzemelerin daha precisa şekilde tasarlanmasını sağlayarak ve gelecekte kuantum bilgi teknolojisi için yeni malzeme platformlarının geliştirilmesine yardımcı olarak gerçek bir oyun değiştirici olabilir.”

Elektron Hareketini Gözleme

Araştırmacılar geleneksel olarak, iki boyutlu kuantum malzemelerindeki elektron hareketini görmek için kısa ve odaklanmış aşırı ultraviyole (XUV) ışık patlamalarına güvenmektedir. XUV patlamaları, bir atomun çekirdeğine bağlı elektronların aktivitesini ortaya koyar. Ancak patlamaların taşıdığı büyük enerji, yarı iletkenler aracılığıyla seyahat eden elektronların net gözlemesini zorlaştırır, bu da mevcut bilgisayarlar ve kuantum bilgisayarlar için araştırılan malzemeler için geçerlidir.

Bu zorlukları aşmak için ekip, önce hareketli yarı iletken elektronlarının enerji ölçeklerine uygun iki ışık darbesi kullandı. İlk darbe, elektronları malzemede seyahat etmelerini sağlayan bir duruma sokan infrared ışıktı. İkinci darbe, elektronları kontrol edilen head-on çarpışma yörüngelerine zorlayan daha düşük enerjili bir terahertz darbesiydi. Elektronlar çarpıştığında, kuantum bilgisi ve egzotik kuantum malzemeleri arkasında bulunan etkileşimleri ortaya koyan ışık patlamaları üretir.

“İki darbe kullandık – biri elektron durumunun enerjisiyle eşleşen ve diğeri durumun değişmesine neden olan bir darbe” diye açıkladı Kira. “Aslında, bu iki darbenin elektronun kuantum durumunu nasıl değiştirdiğini filme alabilir ve bunu zamanın bir fonksiyonu olarak ifade edebiliriz.”

Bu yeni dizi, zamanı yüksek hassasiyetle ölçen bir zaman ölçümü sağlar.

“Bu gerçekten benzersiz ve geliştirmesi yıllar sürdü” dedi Huber. “Işıkın tek bir osilasyon döngüsünün ne kadar kısa olduğunu hatırlarsanız, böyle yüksek hassasiyetli ölçümlerin mümkün olabileceği gerçekten beklenmedik.”

Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarların çözemeyeceği sayısız problemi çözebilir ve kuantum yeteneklerinde yapılacak ilerlemeler birçok çözüme yol açabilir.

Markus Borsch, Michigan Üniversitesi’nde elektrik ve bilgisayar mühendisliği doktorası yapan ve çalışmanın ortak yazarıdır.

“Şimdiye kadar kimse ölçeklenebilir ve hatasız bir kuantum bilgisayar inşa edemedi ve bunun nasıl görüneceğini bile bilmiyoruz” dedi Borsch. “Ancak katı maddelerdeki elektronik hareketin temel seviyelerde nasıl çalıştığını inceleyen temel araştırmalar, bizi doğru yöne götürecek bir fikir verebilir.”