电子运动捕获有助于最大化传统和量子计算

来自密歇根大学和雷根斯堡大学的一组研究人员以迄今为止最快的速度捕获了电子运动。 该团队在阿秒内捕获了它，这一新的发展可以帮助最大限度地提高传统或量子计算的速度。 这项研究为电子在固体中的行为提供了新的见解。 

这项研究结果发表在 自然. 

提高处理速度

通过观察电子以十亿分之一秒的微小增量移动，专家可以将处理速度提高到比当前能力快十亿倍。 

Mackilo Kira 领导了这项研究的理论部分，他是密歇根大学电气工程和计算机科学教授。 

“当前计算机的处理器以千兆赫兹运行，即每次操作需要十亿分之一秒，”基拉说。 “在量子计算中，速度非常慢，因为计算机芯片内的电子每秒碰撞数万亿次，每次碰撞都会终止量子计算周期。” 

“为了提高性能，我们需要的是速度快十亿倍的电子运动快照。 现在我们拥有了。” 

雷根斯堡大学物理学教授、该研究的通讯作者鲁珀特·胡贝尔 (Rupert Huber) 表示，这些结果可能会对多体物理学领域产生巨大影响，甚至比计算影响更大。 

胡贝尔领导了这项研究。 

“多体相互作用是固体最令人垂涎​​的特性背后的微观驱动力——从光学和电子特性到有趣的相变——但众所周知，它们很难获得，”胡贝尔说。 “我们的固态时钟可以成为真正的游戏规则改变者，使我们能够设计具有更精确定制特性的新型量子材料，并帮助开发未来量子信息技术的新材料平台。” 

观察电子运动

传统上，研究人员依靠短时间的聚焦极紫外 (XUV) 光来观察二维量子材料内的电子运动。 XUV 爆发揭示了原子核上电子的活动。 然而，爆发中携带的大量能量使得很难清晰地观察穿过半导体的电子，这就是当前用于量子计算的计算机和材料的情况。 

为了克服这些挑战，该团队首先采用了两个光脉冲，其能量尺度与可移动半导体电子的能量尺度相匹配。 第一个脉冲是红外光，它使电子进入一种能够穿过材料的状态。 第二个脉冲是较低能量的太赫兹脉冲，它迫使电子进入受控的正面碰撞轨迹。 当电子碰撞时，它们会产生光爆发，这揭示了量子信息和奇异量子材料背后的相互作用。 

“我们使用了两个脉冲——一个与电子状态能量匹配，然后第二个脉冲导致状态改变，”基拉解释道。 “我们基本上可以拍摄这两个脉冲如何改变电子的量子态，然后将其表达为时间的函数。” 

这种由时代开发的新序列可以实现高精度的时间测量。 

“这确实是独一无二的，我们花了很多年的时间来开发，”胡贝尔说。 “如果你还记得光的单个振荡周期是多么短的话，那么如此高精度的测量甚至是可能的，这是非常出乎意料的——而且我们的时间分辨率还快了一百倍。” 

量子计算可以解决无数对传统计算来说过于复杂的问题，而量子能力的进步可能会带来许多解决方案。 

马库斯·博尔施 (Markus Borsch) 是密歇根大学电气和计算机工程专业的博士生，也是该研究的合著者。

“到目前为止，还没有人能够建造一台可扩展且容错的量子计算机，我们甚至不知道它会是什么样子，”博尔什说。 “但是基础研究，比如研究固体中的电子运动如何在最基本的层面上发挥作用，可能会给我们一个想法，引导我们走向正确的方向。”