电子运动捕获有助于最大化传统和量子计算

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捉到了电子运动。该团队在阿秒内捕获了它，而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。该研究为电子在固体中的行为提供了新的见解。

该研究发表在《自然》杂志上。

提高处理速度

通过看到电子以这些微小的增量移动，即五分之一秒，专家可以将处理速度提高到比当前能力快十亿倍的速度。

领导这项研究的理论方面的 Mackilo Kira 是 UM 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，即每次运行十亿分之一秒，”Kira 说。“在量子计算中，这非常慢，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。”

“为了推动性能向前发展，我们需要的是快 10 亿倍的电子运动的快照。而现在我们有了。”

根据雷根斯堡大学物理学教授、该研究的通讯作者鲁珀特·休伯 (Rupert Huber) 的说法，该结果可能会对多体物理学领域产生巨大影响，甚至比计算更重要。

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——从光学和电子技术到有趣的相变——但众所周知，它们很难获得，”Huber 说。“我们的固态 attoclock 可以成为真正的游戏规则改变者，使我们能够设计出具有更精确定制特性的新型量子材料，并帮助开发用于未来量子信息技术的新材料平台。”

观察电子运动

研究人员传统上依靠聚焦极紫外 (XUV) 光的短脉冲来观察二维量子材料中的电子运动。XUV 爆发揭示了附着在原子核上的电子的活动。然而，爆发中携带的大量能量使得很难清楚地观察穿过半导体的电子，这是当前计算机和正在探索用于量子计算的材料的情况。

为了克服这些挑战，该团队首先使用了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，它使电子进入一种状态，使它们能够穿过材料。第二个脉冲是能量较低的太赫兹脉冲，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，揭示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——一个与电子状态在能量上匹配，然后另一个脉冲导致状态发生变化，”Kira 解释说。“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。”

这种由时间开发的新序列可以实现高精度的时间测量。

“这真的很独特，我们花了很多年的时间开发，”Huber 说。“如果你还记得光的单个振荡周期有多短，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快了一百倍。”

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

Markus Borsch 是 UM 电气和计算机工程博士生，也是该研究的合著者。

“到目前为止，还没有人能够构建出可扩展和容错的量子计算机，我们甚至不知道它会是什么样子，”Borsch 说。“但基础研究，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，可能会给我们一个引导我们朝着正确方向前进的想法。”