Skip to content
Home » Nieuwe techniek kan verwerkingssnelheden mogelijk maken die een miljoen tot een miljard keer sneller zijn dan de huidige computers en de voortgang in de natuurkunde van veel lichamen volgen – ScienceDaily

Nieuwe techniek kan verwerkingssnelheden mogelijk maken die een miljoen tot een miljard keer sneller zijn dan de huidige computers en de voortgang in de natuurkunde van veel lichamen volgen – ScienceDaily

    Minirobots leren 'zwemmen' op rekbare oppervlakken

    De sleutel tot het maximaliseren van traditionele of kwantumcomputersnelheden ligt in ons vermogen om te begrijpen hoe elektronen zich in vaste stoffen gedragen, en een samenwerking tussen de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Regensburg legde elektronenbeweging vast in attoseconden – de hoogste snelheid tot nu toe.

    Door elektronen te zien bewegen in stappen van een triljoenste van een seconde, zou de verwerkingssnelheid tot een miljard keer sneller kunnen worden verhoogd dan momenteel mogelijk is. Bovendien biedt het onderzoek een “game-changing” tool voor de studie van veellichamenfysica.

    “De processor van uw huidige computer werkt in gigahertz, dat is een miljardste van een seconde per bewerking”, zegt Mackillo Kira, UM-hoogleraar elektrotechniek en informatica, die de theoretische aspecten leidde van de studie die werd gepubliceerd in Natuur. “In kwantumcomputing is dat extreem traag omdat elektronen in een computerchip biljoenen keren per seconde botsen en elke botsing beëindigt de kwantumcomputercyclus.

    “Wat we nodig hebben om de prestaties naar voren te halen, zijn snapshots van die elektronenbeweging die een miljard keer sneller zijn. En nu hebben we het.”

    Rupert Huber, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Regensburg en corresponderend auteur van de studie, zei dat de potentiële impact van het resultaat op het gebied van veellichamenfysica de computerimpact ervan zou kunnen overtreffen.

    “Interacties tussen veel lichamen zijn de microscopische drijvende krachten achter de meest begeerde eigenschappen van vaste stoffen – variërend van optische en elektronische hoogstandjes tot intrigerende faseovergangen – maar ze waren notoir moeilijk toegankelijk”, zei Huber, die het experiment leidde. “Onze solid-state attoclock zou een echte game-wisselaar kunnen worden, waardoor we nieuwe kwantummaterialen kunnen ontwerpen met nauwkeuriger op maat gemaakte eigenschappen en helpen bij het ontwikkelen van nieuwe materiaalplatforms voor toekomstige kwantuminformatietechnologie.”

    Om elektronenbeweging in tweedimensionale kwantummaterialen te zien, gebruiken onderzoekers meestal korte uitbarstingen van gefocust extreem ultraviolet (XUV) licht. Die uitbarstingen kunnen de activiteit onthullen van elektronen die aan de atoomkern zijn bevestigd. Maar de grote hoeveelheden energie die in die uitbarstingen worden vervoerd, verhinderen een duidelijke waarneming van de elektronen die door halfgeleiders reizen – zoals in huidige computers en in materialen die worden onderzocht voor kwantumcomputers.

    UM-ingenieurs en partners gebruiken twee lichtpulsen met energieschalen die overeenkomen met die van die beweegbare halfgeleiderelektronen. De eerste, een puls van infrarood licht, brengt de elektronen in een staat waarin ze door het materiaal kunnen reizen. De tweede, een terahertz-puls met lagere energie, dwingt die elektronen vervolgens in gecontroleerde frontale botsingstrajecten. De crashes produceren uitbarstingen van licht, waarvan de precieze timing de interacties achter kwantuminformatie en exotische kwantummaterialen onthult.

    “We gebruikten twee pulsen – een die energetisch overeenkomt met de toestand van het elektron, en dan een tweede puls die ervoor zorgt dat de toestand verandert,” zei Kira. “We kunnen in wezen filmen hoe deze twee pulsen de kwantumtoestand van het elektron veranderen en dat vervolgens uitdrukken als een functie van de tijd.”

    De reeks met twee pulsen maakt tijdmetingen mogelijk met een nauwkeurigheid die beter is dan één procent van de oscillatieperiode van de terahertz-straling die de elektronen versnelt.

    “Dit is echt uniek en het heeft ons vele jaren van ontwikkeling gekost”, zei Huber. “Het is vrij onverwacht dat zulke uiterst nauwkeurige metingen zelfs mogelijk zijn als je bedenkt hoe belachelijk kort een enkele oscillatiecyclus van licht is – en onze tijdresolutie is nog honderd keer sneller.”

    Kwantummaterialen kunnen robuuste magnetische, supergeleidende of superfluïde fasen hebben, en kwantumcomputing vertegenwoordigt het potentieel voor het oplossen van problemen die op klassieke computers te lang zouden duren. Door dergelijke kwantumcapaciteiten te pushen, zullen uiteindelijk oplossingen ontstaan ​​voor problemen die momenteel buiten ons bereik liggen. Dat begint met elementaire observatiewetenschap.

    “Niemand is tot nu toe in staat geweest om een ​​schaalbare en fouttolerante kwantumcomputer te bouwen en we weten niet eens hoe dat eruit zou zien”, zegt co-eerste auteur Markus Borsch, UM-promovendus in elektrotechniek en computertechniek. “Maar fundamenteel onderzoek, zoals het bestuderen van hoe elektronische beweging in vaste stoffen werkt op de meest fundamentele niveaus, zou ons een idee kunnen geven dat ons in de goede richting leidt.”

    Josef Freudenstein, een doctoraalstudent aan de Universiteit van Regensburg, is ook co-eerste auteur. De studie werd ondersteund door de Duitse onderzoeksstichting, het legeronderzoeksbureau, de WM Keck Foundation en het Blue Sky Research Program van Michigan Engineering.

    .