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研究人员团队已经以迄今为止最快的速度捕获了电子运动。该团队以亚秒为单位捕获了电子运动，这一新发展可能有助于最大化传统或量子计算速度。该研究为我们提供了新的见解，了解电子在固体中的行为。

该研究发表在 Nature。

提高处理速度

通过观察电子以如此小的增量移动，专家们可以将处理速度提高到目前能力的十亿倍以上。

马基洛·基拉（Mackilo Kira）领导了该研究的理论方面，他是密歇根大学电气工程和计算机科学教授。

“您当前计算机的处理器以千兆赫兹运行，即每秒一亿次操作，”基拉说。“在量子计算中，这是非常慢的，因为计算机芯片中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。”

“我们需要推动性能发展的东西是电子运动的快照，这些快照的速度比当前速度快十亿倍。而现在我们已经拥有了它。”

根据雷根斯堡大学物理学教授和该研究的通讯作者鲁珀特·胡伯（Rupert Huber）的说法，结果可能会对许多体物理学领域产生重大影响，甚至超过计算领域。

胡伯领导了该研究。

“许多体相互作用是固体中微观驱动力的最令人向往的性质的背后力量，包括光学和电子特性以及有趣的相变——但它们一直很难访问，”胡伯说。“我们的固态阿托钟可以成为真正的游戏规则改变者，允许我们设计具有更精确调节的性质的新量子材料，并帮助开发新的材料平台以用于未来的量子信息技术。”

观察电子运动

研究人员传统上依赖于短暂的聚焦极紫外线（XUV）光束来观察二维量子材料中的电子运动。XUV光束显示了附着在原子核上的电子的活动。然而，光束携带的能量太大，难以清晰地观察到通过半导体移动的电子，这是当前计算机和用于量子计算的材料的特征。

为了克服这些挑战，团队首先使用两个能量尺度与可移动半导体电子相匹配的光脉冲。第一个脉冲是红外光，它将电子置于可以通过材料移动的状态。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，它们会产生光束，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——一个与电子状态的能量相匹配，另一个导致状态发生变化，”基拉解释道。“我们可以基本上拍摄这些两个脉冲如何改变电子的量子状态，并将其表示为时间函数。”

该团队开发的此新序列使时间测量具有高精度。

“这真的很独特，花了我们很多年的开发时间，”胡伯说。“如果你记得光的单个振荡周期有多么短暂，那么这样的高精度测量甚至是可能的——我们的时间分辨率快了100倍。”

量子计算可以解决传统计算无法解决的许多复杂问题，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博士生，也是该研究的共同作者。

“到目前为止，尚未有人能够构建可扩展和容错的量子计算机，我们甚至不知道那会是什么样子，”博尔施说。“但是，像研究电子在固体中如何在最基本的层面上运动这样的基本研究可能会给我们一个想法，引导我们走向正确的方向。”