密歇根大學(xué)和雷根斯堡大學(xué)的一組研究人員以迄今為止最快的速度捕捉到了電子運(yùn)動。該團(tuán)隊(duì)在阿秒內(nèi)捕獲了它，而這一新的發(fā)展可以幫助最大限度地提高傳統(tǒng)或量子計(jì)算的速度。該研究為電子在固體中的行為提供了新的見解。

該研究發(fā)表在《自然》雜志上。

提高處理速度

通過看到電子以這些微小的增量移動，即五分之一秒，專家可以將處理速度提高到比當(dāng)前能力快十億倍的速度。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的理論方面的 Mackilo Kira 是 UM 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授。

“您當(dāng)前計(jì)算機(jī)的處理器以千兆赫茲運(yùn)行，即每次運(yùn)行十億分之一秒，”Kira 說。“在量子計(jì)算中，這非常慢，因?yàn)橛?jì)算機(jī)芯片內(nèi)的電子每秒碰撞數(shù)萬億次，每次碰撞都會終止量子計(jì)算周期。”

“為了推動性能向前發(fā)展，我們需要的是快 10 億倍的電子運(yùn)動的快照。而現(xiàn)在我們有了。”

根據(jù)雷根斯堡大學(xué)物理學(xué)教授、該研究的通訊作者魯珀特·休伯 (Rupert Huber) 的說法，該結(jié)果可能會對多體物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，甚至比計(jì)算更重要。

胡貝爾領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

“多體相互作用是固體最令人垂涎??的特性背后的微觀驅(qū)動力——從光學(xué)和電子技術(shù)到有趣的相變——但眾所周知，它們很難獲得，”Huber 說。“我們的固態(tài) attoclock 可以成為真正的游戲規(guī)則改變者，使我們能夠設(shè)計(jì)出具有更精確定制特性的新型量子材料，并幫助開發(fā)用于未來量子信息技術(shù)的新材料平臺。”

觀察電子運(yùn)動

研究人員傳統(tǒng)上依靠聚焦極紫外 (XUV) 光的短脈沖來觀察二維量子材料中的電子運(yùn)動。XUV 爆發(fā)揭示了附著在原子核上的電子的活動。然而，爆發(fā)中攜帶的大量能量使得很難清楚地觀察穿過半導(dǎo)體的電子，這是當(dāng)前計(jì)算機(jī)和正在探索用于量子計(jì)算的材料的情況。

為了克服這些挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)首先使用了兩個能量尺度與可移動半導(dǎo)體電子相匹配的光脈沖。第一個脈沖是紅外光，它使電子進(jìn)入一種狀態(tài)，使它們能夠穿過材料。第二個脈沖是能量較低的太赫茲脈沖，它迫使電子進(jìn)入受控的正面碰撞軌跡。當(dāng)電子碰撞時，它們會產(chǎn)生光爆發(fā)，揭示量子信息和奇異量子材料背后的相互作用。

“我們使用了兩個脈沖——一個與電子狀態(tài)在能量上匹配，然后另一個脈沖導(dǎo)致狀態(tài)發(fā)生變化，”Kira 解釋說。“我們基本上可以拍攝這兩個脈沖如何改變電子的量子態(tài)，然后將其表達(dá)為時間的函數(shù)。”

這種由時間開發(fā)的新序列可以實(shí)現(xiàn)高精度的時間測量。

“這真的很獨(dú)特，我們花了很多年的時間開發(fā)，”Huber 說。“如果你還記得光的單個振蕩周期有多短，那么如此高精度的測量甚至是可能的，這是非常出乎意料的——而且我們的時間分辨率快了一百倍。”

量子計(jì)算可以解決無數(shù)傳統(tǒng)計(jì)算過于復(fù)雜的問題，而量子能力的進(jìn)步可能會帶來許多解決方案。

Markus Borsch 是 UM 電氣和計(jì)算機(jī)工程博士生，也是該研究的合著者。

“到目前為止，還沒有人能夠構(gòu)建出可擴(kuò)展和容錯的量子計(jì)算機(jī)，我們甚至不知道它會是什么樣子，”Borsch 說。“但基礎(chǔ)研究，比如研究固體中的電子運(yùn)動如何在最基本的層面上發(fā)揮作用，可能會給我們一個引導(dǎo)我們朝著正確方向前進(jìn)的想法。”