Kluczem do usprawnienia obliczeń kwantowych, jest lepsze zrozumienie, jak elektrony zachowują się w ciałach stałych. Dzięki współpracy fizyków z Uniwersytetu w Michigan i Uniwersytetu w Ratyzbonie możliwe było uchwycenie ruchu elektronów w skali attosekund. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature.
Najdokładniejszy attozegar na Ziemi
Attosekunda (as) to jednostka czasu, równa jednej trylionowej części sekundy (10-18 s). Przedrostek “atto-” pochodzi od duńskiego słowa osiemnaście (atten). 1 attosekunda to czas, w którym foton przebywa odległość równą dwunastu średnicom atomów wodoru.
Czytaj też: Obliczenia kwantowe z nowym rekordem. To bardzo ważny krok
Obserwowanie ruchu elektronów w czasie rzędu attosekund może pomóc w zwiększeniu prędkości przetwarzania danych nawet miliard razy. Wszyscy możemy na tym skorzystać.
Prof. Mackillo Kira z Uniwersytetu w Michigan mówi:
Procesor twojego komputera działa w gigahercach, czyli w jednej miliardowej części sekundy na operację. W obliczeniach kwantowych to niezwykle wolno, ponieważ elektrony w obrębie chipa komputerowego zderzają się biliony razy na sekundę, a każda kolizja kończy cykl obliczeń kwantowych. To, czego potrzebowaliśmy, aby popchnąć wydajność do przodu, to migawki tego ruchu elektronów, które są miliard razy szybsze. I teraz to mamy.
Aby zobaczyć ruch elektronów wewnątrz dwuwymiarowych materiałów kwantowych, naukowcy zazwyczaj używają krótkich błysków skrajnego promieniowania ultrafioletowego (XUV). Mogą one ujawnić aktywność elektronów przyczepionych do jądra atomu. Jednak duża ilość energii zawarta w tych wybuchach uniemożliwia wyraźną obserwację elektronów, które przemieszczają się przez półprzewodniki, tak jak w obecnych komputerach i materiałach wykorzystywanych w obliczeniach kwantowych.
Naukowcy zastosowali dwa impulsy świetlne o skalach energetycznych odpowiadających ruchomym elektronom półprzewodników. Pierwszy z nich – impuls światła podczerwonego – wprowadza elektrony w stan umożliwiający im przemieszczanie się przez materiał. Drugi – impuls terahercowy (o niższej energii) – zmusza te elektrony do kontrolowanych kolizji. W wyniku zderzeń powstają błyski światła, których precyzyjny czas ujawnia interakcje stojące za informacją kwantową i egzotycznymi materiałami kwantowymi.
Czytaj też: Po raz pierwszy splątali kwantowo dwa zegary. Co to oznacza w praktyce?
Prof. Mackillo Kira dodaje:
Użyliśmy dwóch impulsów – jednego, który jest energetycznie dopasowany do stanu elektronu, a następnie drugiego, który powoduje zmianę tego stanu. Możemy zasadniczo sfilmować, jak te dwa impulsy zmieniają stan kwantowy elektronu, a następnie wyrazić to jako funkcję czasu.
Materiały kwantowe mogą dysponować wytrzymałymi fazami magnetycznymi, nadprzewodzącymi lub nadpłynnymi, a obliczenia kwantowe reprezentują potencjał rozwiązywania problemów, które zajęłyby zbyt wiele czasu przy użyciu klasycznych komputerów oraz takich, które są obecnie poza naszym zasięgiem.