Захоп руху електронів допомагає максимізувати традиційне та квантове обчислення

Команда дослідників з Університету Мічигану та Університету Регенсбурга захопила рух електронів при найшвидшій швидкості на сьогодні. Команда захопила його в аттосекундах, і цей новий розвиток міг би допомогти максимізувати традиційну або квантову обчислювальну швидкість. Дослідження надає новий погляд на те, як електрони поводяться в твердих тілах.

Дослідження було опубліковано в Nature. 

Збільшення швидкості обробки

Відображення руху електронів у цих малих інтервалах, які становлять одну квінтільйонну частину секунди, експерти могли б збільшити швидкість обробки до мільярда разів швидше, ніж поточні можливості.

Маккіло Кіра, який очолював теоретичні аспекти дослідження, є професором електротехніки та комп’ютерних наук У-М.

“Процесор вашого поточного комп’ютера працює на гігагерцах, тобто одна мільярдна частина секунди на операцію”, – сказав Кіра. “У квантових обчисленнях це надзвичайно повільно, оскільки електрони всередині мікросхеми зіштовхуються трильйони раз на секунду, і кожне зіштовхнення припиняє цикл квантових обчислень.”

“Нас потрібно, щоб рух електронів був у мільярд разів швидше. І тепер у нас це є.”

За словами Руперта Губера, який є професором фізики Університету Регенсбурга та відповідальний автор дослідження, результати могли б суттєво вплинути на галузь багатьох тіл фізики, навіть більше, ніж на обчислення.

Губер очолював дослідження.

“Взаємодії багатьох тіл є мікроскопічними рушійними силами за найбільш бажаними властивостями твердих тіл – від оптичних та електронних подвигів до цікавих фазових переходів – але вони були надзвичайно важкими для доступу”, – сказав Губер. “Наш аттосекундний годинник для твердих тіл міг би стати справжнім проривом, дозволяючи нам проектувати нові квантові матеріали з більш точно налаштованими властивостями та допомагати розробляти нові матеріальні платформи для майбутньої квантової інформаційної технології.”

Спостереження руху електронів

Дослідники традиційно покладалися на короткі імпульси фокусованого екстремального ультрафіолетового (XUV) світла, щоб побачити рух електронів у двовимірних квантових матеріалах. XUV-імпульси розкривають діяльність електронів, прикріплених до ядра атома. Однак велика кількість енергії, яку несуть ці імпульси, робить важким чітке спостереження електронів, які рухаються через напівпровідники, що є випадком у поточних комп’ютерах та матеріалах, які досліджуються для квантових обчислень.

Щоб подолати ці виклики, команда спочатку використала два світлових імпульси з енергетичними масштабами, які відповідають енергетичних масштабам рухомих напівпровідникових електронів. Перший імпульс був інфрачервоним світлом, яке ставить електрони у стан, який дозволяє їм рухатися через матеріал. Другий імпульс був імпульсом терагерцового діапазону з нижчою енергією, який змушує електрони до контрольованих зіткнень. Коли електрони зіштовхуються, вони випромінюють імпульси світла, які розкривають взаємодії за квантовою інформацією та екзотичними квантовими матеріалами.

“Ми використали два імпульси – один, який енергетично збігається зі станом електрона, а потім другий імпульс, який змінює стан”, – пояснив Кіра. “Ми можемо фактично знімати, як ці два імпульси змінюють квантовий стан електрона, а потім виражати це як функцію часу.”

Ця нова послідовність, розроблена командою, дозволяє вимірювати час з високою точністю.

“Це дійсно унікально і зайняло у нас багато років розробки”, – сказав Губер. “Це досить несподівано, що такі високоточні вимірювання взагалі можливі, якщо пам’ятати, наскільки нелепо короткий єдиний цикл коливання світла – а наше роздільне здаття часу на сотню разів швидше.”

Квантові обчислення можуть вирішувати безліч проблем, які є надто складними для традиційних обчислень, і вдосконалення квантових можливостей могли б привести до багатьох рішень.

Маркус Борш є аспірантом У-М у галузі електротехніки та комп’ютерних наук і співавтором дослідження.

“Ніхто ще не зміг побудувати масштабований і безпомилковий квантовий комп’ютер, і ми навіть не знаємо, як це виглядатиме”, – сказав Борш. “Але базові дослідження, такі як вивчення того, як рух електронів у твердих тілах працює на найбільш фундаментальних рівнях, можуть дати нам ідею, яка приведе нас у правильному напрямку.”