“阿秒鐘”以迄今最快速度觀測自由電子運(yùn)動 將使量子計(jì)算處理速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快100萬到10億倍

將傳統(tǒng)或量子計(jì)算速度最大化的關(guān)鍵在于了解電子在固體中的行為。據(jù)一項(xiàng)發(fā)表在12日《自然》雜志上的研究，美國密歇根大學(xué)和德國雷根斯堡大學(xué)的研究人員合作，捕捉到了電子在幾百阿秒(1阿秒=10-18秒)內(nèi)的運(yùn)動，這是迄今為止最快的速度。

觀察到電子以阿秒級的增量移動，有助于將處理速度提高到目前可能速度的10億倍。此外，這項(xiàng)成果還為多體物理的研究提供了一種“改變游戲規(guī)則”的工具，使人們能夠設(shè)計(jì)具有更精確定制屬性的新型量子材料，為未來的量子信息技術(shù)開發(fā)新的材料平臺。

研究人員表示，計(jì)算機(jī)處理器以千兆赫的速度運(yùn)行，這相當(dāng)于每一次操作耗時(shí)十億分之一秒。在量子計(jì)算中，這是極其緩慢的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)芯片中的電子每秒碰撞數(shù)萬億次，每次碰撞都會終止量子計(jì)算周期。“為了提升量子計(jì)算的性能，我們需要的是快10億倍的電子運(yùn)動速度的快照。現(xiàn)在，我們做到了。”

為了觀察二維量子材料中的電子運(yùn)動，研究人員通常使用聚焦極紫外線的短脈沖。這些爆發(fā)可以揭示圍繞原子核的電子的活動。但是，在這些爆發(fā)中攜帶的大量能量阻礙了科學(xué)家對穿過半導(dǎo)體的電子的清晰觀察。

為了觀察自由電子在固體中的超快運(yùn)動，研究人員開發(fā)了一種新型的阿秒“秒表”。這個(gè)“阿秒鐘”的“鐘擺”是兩個(gè)光脈沖，一個(gè)是與電子的狀態(tài)相匹配的能量脈沖，另一個(gè)是導(dǎo)致狀態(tài)改變的脈沖。他們基本上可以拍攝這兩個(gè)脈沖如何改變電子的量子態(tài)，然后將其表達(dá)為時(shí)間的函數(shù)。

雙脈沖序列允許研究人員進(jìn)行時(shí)間測量，其精確度比加速電子的太赫茲光周期的百分之一還要高。這種高精度的測量是令人難以想象的。

量子材料可能具有強(qiáng)大的磁性、超導(dǎo)或超流體相，而量子計(jì)算則具有比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快解決問題的潛力。要想使?jié)摿ψ優(yōu)楝F(xiàn)實(shí)，就要從基礎(chǔ)觀察科學(xué)開始。研究人員表示，研究固體中的電子運(yùn)動如何在最基本的層面上發(fā)揮作用，可能引導(dǎo)人們朝著正確的方向前進(jìn)。(科技日報(bào)實(shí)習(xí)記者 張佳欣)

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