Захоплення руху електронів допомагає максимізувати традиційну та квантову обчислювальну техніку

Команда дослідників з Університету Мічигану та Університету Регенсбурга вперше захопила рух електронів із найвищою на сьогодні швидкістю. Команда захопила його в атосекундах, і це нове відкриття може допомогти максимізувати традиційну або квантову обчислювальну швидкість. Дослідження надає новий погляд на поведінку електронів у твердих тілах.

Дослідження було опубліковано в Nature.

Збільшення швидкості обробки

Від спостереження за рухом електронів у таких малих інтервалах, які становлять одну квінтильйонну частину секунди, експерти можуть збільшити швидкість обробки даних до мільярда разів швидше, ніж зараз.

Маккіло Кіра, який очолив теоретичні аспекти дослідження, є професором електротехніки та комп’ютерних наук Університету Мічигану.

“Ваш сучасний комп’ютер працює на гігагерцах, тобто одна мільярдна частина секунди на операцію”, – сказав Кіра. “У квантових обчисленнях це дуже повільно, оскільки електрони всередині мікросхеми зіштовхуються трілярди разів на секунду, і кожен зіштовхнення припиняє цикл квантових обчислень”.

“Нам потрібно було зробити знімки руху електронів, які були б у мільярд разів швидші. І тепер у нас це є”.

За словами Руперта Губера, професора фізики Університету Регенсбурга та відповідального автора дослідження, результати можуть суттєво вплинути на область багатьох тіл, навіть більше, ніж на обчислювальну техніку.

Губер очолив 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 твердотільний атто-годинник міг би стати справжнім проривом, дозволяючи нам проектувати нові квантові матеріали з більш точно відібраними властивостями та допомогти розробити нові матеріальні платформи для майбутньої квантової інформаційної технології”.

Спостереження руху електронів

Дослідники традиційно використовували короткі імпульси фокусованого екстремального ультрафіолетового (XUV) світла, щоб спостерігати рух електронів у двовимірних квантових матеріалах. XUV-імпульси розкривають діяльність електронів, прикріплених до ядра атома. Однак велика кількість енергії, яку несуть ці імпульси, робить їх важкими для чіткого спостереження електронів, які рухаються через напівпровідники, що є випадком сучасних комп’ютерів та матеріалів, які досліджуються для квантових обчислень.

Щоб подолати ці труднощі, команда спочатку використала два світлових імпульси з енергетичними масштабами, які відповідають енергії рухомих електронів напівпровідника. 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 відповідає стану електрона, і другий, який змінює стан”, – пояснив Кіра. “Ми можемо фактично знімати, як ці два імпульси змінюють квантовий стан електрона та виражати це як функцію часу”.

Ця нова послідовність, розроблена командою, дозволяє здійснювати вимірювання часу 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 коротким є один цикл коливань світла – а наша роздільна здатність часу становить одну сотню разів швидше”.

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

Маркус Борш – аспірант Університету Мічигану на факультеті електротехніки та комп’ютерних наук і співавтор дослідження.

“Ніхто ще не зміг побудувати масштабований і помилково-стійкий квантовий комп’ютер, і ми навіть не знаємо, як це повинно виглядати”, – 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”.