Chụp chuyển động electron giúp tối đa hóa tính toán truyền thống và lượng tử

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Michigan và Đại học Regensburg đã chụp được chuyển động electron với tốc độ nhanh nhất từ trước đến nay. Nhóm nghiên cứu đã chụp được chuyển động này trong attoseconds, và sự phát triển mới này có thể giúp tối đa hóa tốc độ tính toán truyền thống hoặc lượng tử. Nghiên cứu cung cấp thông tin 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 chuyển động electron trong những khoảng thời gian nhỏ này, các chuyên gia có thể tăng tốc độ xử lý lên đến một tỷ lần so với khả năng hiện tại.

Mackilo Kira, người dẫn đầu các khía cạnh lý thuyết của nghiên cứu, là giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại Đại học Michigan.

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

“Điều chúng tôi cần, để đẩy hiệu suất tiến về phía trước, là những bức ảnh chuyển động electron 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 ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực vật lý nhiều thể, thậm chí còn nhiều hơn so với tính toán.

Huber dẫn đầu nghiên cứu.

“Tương tác nhiều thể là lực驱 động vi mô đằng sau các tính chất mong muốn nhất của vật liệu rắn – từ các thành tựu quang học và điện tử đến các chuyển pha thú vị – nhưng chúng đã nổi tiếng là khó tiếp cận,” Huber nói. “Đồng hồ attosecond rắn của chúng tôi có thể trở thành một yếu tố thay đổi cuộc 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 ánh sáng cực tím (XUV) tập trung 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 này làm cho việc quan sát rõ ràng các electron di chuyển qua các chất bán dẫn trở nên khó khăn, điều này là trường hợp trong các máy tính hiện tại và các vật liệu đang được khám phá cho tính toán 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 các electron bán dẫn có thể di chuyển. Xung đầu tiên là ánh sáng hồng ngoại, đặt electron vào trạng thái cho phép chúng di chuyển qua vật liệu. Xung thứ hai là xung terahertz năng lượng thấp hơn, 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 phù hợp với trạng thái electron, và sau đó 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 như vậy thậm chí có thể xảy ra nếu bạn nhớ lại sự ngắn ngủi của một chu kỳ dao động ánh sáng đơn – và độ phân giải thời gian của chúng nhanh hơn 100 lần.”

Tính toán lượng tử có thể giải quyết vô số vấn đề quá phức tạp cho tính toán truyền thống, và những tiến bộ trong khả năng lượng tử có thể dẫn đến nhiều giải pháp.

Markus Borsch là sinh viên tiến sĩ tại Đại học Michigan về kỹ thuật điện và khoa học máy tính 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 liệu rắn hoạt động ở mức cơ bản nhất có thể đưa ra một ý tưởng dẫn chúng tôi đến hướng đúng.”