Å se elektronbevegelser med den høyeste hastigheten noensinne kan bidra til å låse opp neste nivå kvanteberegning

(Nanowerk Nyheter) Nøkkelen til å maksimere tradisjonelle eller kvanteberegningshastigheter ligger i vår evne til å forstå hvordan elektroner oppfører seg i faste stoffer, og et samarbeid mellom University of Michigan og University of Regensburg fanget opp elektronbevegelser i attosekunder – den raskeste hastigheten til nå.

Å se elektroner bevege seg i trinn på en kvintilliondel av et sekund kan bidra til å presse prosesseringshastigheter opp til en milliard ganger raskere enn det som er mulig for øyeblikket. I tillegg tilbyr forskningen et “spillendrende” verktøy for studiet av mangekroppsfysikk.

“Din nåværende datamaskins prosessor opererer i gigahertz, det er en milliarddels sekund per operasjon,” sa Mackillo Kira, UM professor i elektroteknikk og informatikk, som ledet de teoretiske aspektene av studien publisert i Natur (“Attosekundklokke av korrelasjoner mellom Bloch-elektroner”). «I kvanteberegning er det ekstremt sakte fordi elektroner i en databrikke kolliderer billioner av ganger i sekundet og hver kollisjon avslutter kvanteberegningssyklusen.

«Det vi har trengt, for å presse ytelsen fremover, er øyeblikksbilder av elektronbevegelsen som er en milliard ganger raskere. Og nå har vi det.”

Rupert Huber, professor i fysikk ved Universitetet i Regensburg og tilsvarende forfatter av studien, sa at resultatets potensielle innvirkning innen mangekroppsfysikk kan overgå databehandlingseffekten.

“Mange-kroppsinteraksjoner er de mikroskopiske drivkreftene bak de mest ettertraktede egenskapene til faste stoffer – alt fra optiske og elektroniske bragder til spennende faseoverganger – men de har vært notorisk vanskelige å få tilgang til,” sa Huber, som ledet eksperimentet. “Vår solid-state attoclock kan bli en ekte game changer, som lar oss designe nye kvantematerialer med mer presist skreddersydde egenskaper og bidra til å utvikle nye materialplattformer for fremtidig kvanteinformasjonsteknologi.”

For å se elektronbevegelser i todimensjonale kvantematerialer, bruker forskere vanligvis korte utbrudd av fokusert ekstremt ultrafiolett (XUV) lys. Disse utbruddene kan avsløre aktiviteten til elektroner knyttet til et atoms kjerne. Men de store mengdene energi som bæres i disse utbruddene forhindrer klar observasjon av elektronene som beveger seg gjennom halvledere – som i nåværende datamaskiner og i materialer under utforskning for kvantedatamaskiner.

UM-ingeniører og partnere bruker to lyspulser med energiskalaer som samsvarer med de bevegelige halvlederelektronene. Den første, en puls av infrarødt lys, setter elektronene i en tilstand som lar dem reise gjennom materialet. Den andre, en terahertz-puls med lavere energi, tvinger deretter disse elektronene inn i kontrollerte front-mot-kollisjonsbaner. Krasjene produserer lysutbrudd, og den nøyaktige timingen avslører interaksjoner bak kvanteinformasjon og eksotiske kvantematerialer.

“Vi brukte to pulser – en som er energisk matchet med elektronets tilstand, og deretter en andre puls som får tilstanden til å endre seg,” sa Kira. “Vi kan i hovedsak filme hvordan disse to pulsene endrer elektronets kvantetilstand og deretter uttrykke det som en funksjon av tid.”

To-pulssekvensen tillater tidsmåling med en presisjon bedre enn én prosent av oscillasjonsperioden til terahertz-strålingen som akselererer elektronene.

“Dette er virkelig unikt og tok oss mange års utvikling,” sa Huber. “Det er ganske uventet at slike høypresisjonsmålinger til og med er mulig hvis du husker hvor latterlig kort en enkelt oscillasjonssyklus av lys er – og tidsoppløsningen vår er hundre ganger raskere ennå.”

Kvantematerialer kan ha robuste magnetiske, superledende eller superflytende faser, og kvantedatabehandling representerer potensialet for å løse problemer som vil ta for lang tid på klassiske datamaskiner. Å skyve slike kvantekapasiteter vil til slutt skape løsninger på problemer som for øyeblikket er utenfor vår rekkevidde. Det starter med grunnleggende observasjonsvitenskap.

“Ingen har vært i stand til å bygge en skalerbar og feiltolerant kvantedatamaskin så langt, og vi vet ikke engang hvordan den vil se ut,” sa studiens medforfatter Markus Borsch, UM doktorgradsstudent i elektro- og datateknikk. “Men grunnleggende forskning som å studere hvordan elektronisk bevegelse i faste stoffer fungerer på de mest grunnleggende nivåene kan gi oss en idé som leder oss i riktig retning.”