密歇根大學和雷根斯堡大學的一組研究人員以迄今為止最快的速度捕捉到了電子運動。該團隊在阿秒內捕獲了它，而這一新的發展可以幫助最大限度地提高傳統或量子計算的速度。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前能力快十億倍的速度。

領導這項研究的理論方面的 Mackilo Kira 是 UM 電氣工程和計算機科學教授。

“您當前計算機的處理器以千兆赫茲運行，即每次運行十億分之一秒，”Kira 說。“在量子計算中，這非常慢，因為計算機芯片內的電子每秒碰撞數萬億次，每次碰撞都會終止量子計算周期。”

“為了推動性能向前發展，我們需要的是快 10 億倍的電子運動的快照。而現在我們有了。”

根據雷根斯堡大學物理學教授、該研究的通訊作者魯珀特·休伯 (Rupert Huber) 的說法，該結果可能會對多體物理學領域產生巨大影響，甚至比計算更重要。

胡貝爾領導了這項研究。

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

觀察電子運動

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

為了克服這些挑戰，該團隊首先使用了兩個能量尺度與可移動半導體電子相匹配的光脈沖。第一個脈沖是紅外光，它使電子進入一種狀態，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，它迫使電子進入受控的正面碰撞軌跡。當電子碰撞時，它們會產生光爆發，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——一個與電子狀態在能量上匹配，然后另一個脈沖導致狀態發生變化，”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，然后將其表達為時間的函數。”

這種由時間開發的新序列可以實現高精度的時間測量。

“這真的很獨特，我們花了很多年的時間開發，”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。”

量子計算可以解決無數傳統計算過于復雜的問題，而量子能力的進步可能會帶來許多解決方案。

Markus Borsch 是 UM 電氣和計算機工程博士生，也是該研究的合著者。

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