Chuyển động của Electron Giúp Tối ưu Hóa Máy tính Cổ điển và Máy tính Lượng tử

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Michigan và Đại học Regensburg đã ghi lại chuyển động của electron với tốc độ nhanh nhất từ trước đến nay. Nhóm nghiên cứu đã ghi lại nó trong attoseconds, và sự phát triển mới này có thể giúp tối ưu hóa tốc độ máy tính cổ điển hoặc máy tính lượng tử. Nghiên cứu cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cách electron hoạt động trong các vật liệu rắn.

Nghiên cứu được công bố trên Nature.

Tăng Tốc Độ Xử Lý

Bằng cách quan sát electron di chuyển trong những khoảng thời gian nhỏ này, là một phần nghìn tỷ của một giây, các chuyên gia có thể tăng tốc độ xử lý lên đến một tỷ lần nhanh hơn so với khả năng hiện tại.

Mackilo Kira, người đứng đầu các khía cạnh lý thuyết của nghiên cứu, là giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại U-M.

“Bộ xử lý máy tính hiện tại của bạn hoạt động ở tần số gigahertz, đó là một phần tỷ của một giây cho mỗi hoạt động,” Kira nói. “Trong máy tính lượng tử, điều đó cực kỳ chậm vì electron trong một con chip máy tính va chạm hàng nghìn tỷ lần mỗi giây và mỗi va chạm kết thúc chu kỳ máy tính lượng tử.”

“Điều chúng tôi cần, để đẩy hiệu suất tiến về phía trước, là ảnh chụp chuyển động của electron đó nhanh hơn một tỷ lần. Và bây giờ chúng tôi đã có nó.”

Theo Rupert Huber, người là giáo sư vật lý tại Đại học Regensburg và là tác giả tương ứng của nghiên cứu, kết quả có thể có tác động lớn đến lĩnh vực vật lý nhiều hạt, thậm chí còn lớn hơn so với máy tính.

Huber đứng đầu nghiên cứu.

“Tương tác nhiều hạt là lực驱 động vi mô đằng sau các tính chất mong muốn nhất của vật rắn – từ các kỳ công quang học và điện tử đến các chuyển pha thú vị – nhưng chúng đã cực kỳ khó tiếp cận,” Huber nói. “Đồng hồ attosecond rắn của chúng tôi có thể trở thành một yếu tố thay đổi trò chơi, cho phép chúng tôi thiết kế các vật liệu lượng tử mới với các tính chất được thiết kế chính xác hơn và giúp phát triển các nền tảng vật liệu mới cho công nghệ thông tin lượng tử trong tương lai.”

Quan sát Chuyển động Electron

Các nhà nghiên cứu truyền thống đã dựa vào các xung ngắn của ánh sáng cực tím cực mạnh (XUV) để quan sát chuyển động electron trong các vật liệu lượng tử hai chiều. Các xung XUV tiết lộ hoạt động của electron gắn với hạt nhân nguyên tử. Tuy nhiên, lượng năng lượng lớn được mang trong các xung làm cho việc quan sát rõ ràng các electron di chuyển qua các chất bán dẫn trở nên khó khăn, đó là trường hợp trong các máy tính hiện tại và các vật liệu đang được khám phá cho máy tính lượng tử.

Để vượt qua những thách thức này, nhóm nghiên cứu đầu tiên sử dụng hai xung ánh sáng với thang năng lượng phù hợp với electron bán dẫn có thể di chuyển. Xung đầu tiên là ánh sáng hồng ngoại, nó đưa electron vào trạng thái cho phép chúng di chuyển qua vật liệu. Xung thứ hai là xung terahertz năng lượng thấp hơn, nó buộc electron vào các quỹ đạo va chạm có kiểm soát. Khi electron va chạm, chúng tạo ra các xung ánh sáng, tiết lộ các tương tác đằng sau thông tin lượng tử và các vật liệu lượng tử kỳ lạ.

“Chúng tôi sử dụng hai xung – một xung có thang năng lượng phù hợp với trạng thái của electron, và sau đó là một xung khác khiến trạng thái thay đổi,” Kira giải thích. “Chúng tôi có thể ghi lại cách hai xung này thay đổi trạng thái lượng tử của electron và sau đó biểu thị nó như một hàm của thời gian.”

Trình tự mới này được phát triển bởi nhóm cho phép đo thời gian với độ chính xác cao.

“Điều này thực sự độc đáo và đã mất nhiều năm phát triển,” Huber nói. “Thật không ngờ rằng các phép đo chính xác cao như vậy thậm chí có thể xảy ra nếu bạn nhớ lại sự ngắn ngủi của một chu kỳ dao động ánh sáng – và độ phân giải thời gian của chúng nhanh hơn 100 lần.”

Máy tính lượng tử có thể giải quyết vô số vấn đề quá phức tạp cho máy tính cổ điển, và những tiến bộ trong khả năng lượng tử có thể dẫn đến nhiều giải pháp.

Markus Borsch là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại khoa kỹ thuật điện và khoa học máy tính của U-M và là đồng tác giả của nghiên cứu.

“Không ai có thể xây dựng một máy tính lượng tử có thể mở rộng và chịu lỗi cho đến nay và chúng tôi thậm chí không biết nó sẽ trông như thế nào,” Borsch nói. “Nhưng nghiên cứu cơ bản như nghiên cứu cách chuyển động điện tử trong các vật rắn hoạt động ở mức độ cơ bản nhất có thể đưa ra một ý tưởng dẫn chúng tôi đi đúng hướng.”