电子运动可以帮助解锁下一阶段的量子计算

量子计算洞见

• 了解电子在固体中的行为可以帮助研究人员最大限度地提高量子计算速度。
• 密歇根大学和雷根斯堡大学的研究人员利用两种能量尺度与这些可移动半导体电子相匹配的光脉冲来观察发生了什么。
• 量子材料可以拥有强大的磁性、超导或超流体相，量子计算可以超越传统计算机所能实现的。

---

最大化传统或量子计算速度在于我们理解电子在固体中的行为的能力，密歇根大学和雷根斯堡大学之间的合作以阿秒的速度捕捉到了电子的运动，这是迄今为止最快的速度。

看到电子以1亿亿分之一秒的增量移动，可以帮助将处理速度提高到目前可能的10亿倍。此外，该研究还为多体物理的研究提供了一个工具。

“你现在电脑的处理器以千兆赫为单位运行，也就是每次操作十亿分之一秒，”他说Mackillo基拉他是密歇根大学电气工程和计算机科学教授，领导了发表在《自然》杂志上的研究的理论方面。“在量子计算中，这是非常慢的，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。

“为了推动性能的进步，我们所需要的是电子运动速度快10亿倍的快照。现在我们有了。”

鲁珀特•休伯雷根斯堡大学物理学教授、该研究的通讯作者说，这一结果在多体物理学领域的潜在影响可能超过它对计算的影响。

“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——从光学和电子的壮举到有趣的相变——但它们一直是出了名的难以获得，”领导该实验的Huber说。“我们的固态原子钟可能成为真正的游戏规则改变者，使我们能够设计具有更精确定制属性的新型量子材料，并帮助开发未来量子信息技术的新材料平台。”

为了观察二维量子材料中的电子运动，研究人员通常使用短时间的聚焦极紫外(XUV)光爆发。这些爆发可以揭示附着在原子核上的电子的活动。但是这些爆发中携带的大量能量阻止了对穿过半导体的电子的清晰观察——就像在当前的计算机和正在为量子计算机探索的材料中一样。

密歇根大学的工程师和合作伙伴使用了两种能量尺度与这些可移动半导体电子相匹配的光脉冲。第一种是红外光脉冲，使电子进入一种状态，使它们能够穿过材料。第二种是能量较低的太赫兹脉冲，然后迫使这些电子进入受控的正面碰撞轨迹。碰撞产生了光的爆发，它的精确时间揭示了量子信息和奇异量子材料背后的相互作用。

基拉说:“我们使用了两种脉冲，一种是与电子状态的能量匹配的脉冲，另一种是导致电子状态改变的脉冲。”“我们基本上可以拍摄这两个脉冲如何改变电子的量子态，然后将其表示为时间的函数。”

双脉冲序列允许时间测量的精度优于加速电子的太赫兹辐射振荡周期的百分之一。

Huber说:“这真的很独特，我们花了很多年的时间来开发。”“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，这是非常令人意外的，而且我们的时间分辨率还要快100倍。”

量子材料可以拥有强大的磁性、超导或超流体相，量子计算代表了解决经典计算机需要很长时间才能解决的问题的潜力。推动这种量子能力最终将为目前我们无法解决的问题创造解决方案。这要从基本的观察科学开始。

该研究的共同第一作者说:“到目前为止，还没有人能够建立一个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。马库斯·罗宋汤他是密歇根大学电气与计算机工程专业的博士生。“但基础研究，比如研究固体中的电子运动是如何在最基本的层面上工作的，可能会给我们一个想法，让我们朝着正确的方向前进。”

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。