以有史以来最快的速度观察电子运动可以帮助解锁下一级量子计算

最大化传统或量子计算速度的关键在于我们了解电子在固体中的行为方式的能力，密歇根大学和雷根斯堡大学之间的合作以阿秒为单位捕获了电子运动——这是迄今为止最快的速度。

看到电子以十亿分之一秒的增量移动可能有助于将处理速度提高到比目前可能的速度快十亿倍。此外，该研究为研究多体物理学提供了一个“改变游戏规则”的工具。

“您当前计算机的处理器以千兆赫兹运行，即每次运行十亿分之一秒，”UM电气工程和计算机科学教授MackilloKira说，他领导了发表在Nature上的研究的理论方面。“在量子计算中，这非常慢，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。

“为了推动性能向前发展，我们需要的是快10亿倍的电子运动的快照。现在我们有了。”

雷根斯堡大学物理学教授、该研究的通讯作者RupertHuber表示，该结果在多体物理学领域的潜在影响可能超过其计算影响。

“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——从光学和电子技术到有趣的相变——但众所周知，它们很难获得，”领导该实验的Huber说。“我们的固态原子钟可能会成为真正的游戏规则改变者，使我们能够设计出具有更精确定制特性的新型量子材料，并帮助为未来的量子信息技术开发新的材料平台。”

为了观察二维量子材料中的电子运动，研究人员通常使用聚焦极紫外(XUV)光的短脉冲。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碍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探索的量子计算机材料中一样。

UM工程师和合作伙伴使用两个光脉冲，其能量尺度与那些可移动的半导体电子相匹配。第一个是红外光脉冲，将电子置于允许它们穿过材料的状态。第二个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。碰撞会产生光的爆发，其精确的时间揭示了量子信息和奇异量子材料等背后的相互作用。

“我们使用了两个脉冲——一个与电子状态在能量上匹配，然后另一个脉冲导致状态改变，”基拉说。“我们基本上可以拍摄这两个脉冲如何改变电子的量子态，然后将其表达为时间的函数。”

双脉冲序列允许以优于加速电子的太赫兹辐射振荡周期的百分之一的精度进行时间测量。

“这真的很独特，我们花了很多年的时间来开发，”Huber说。“如果你还记得光的单个振荡周期是多么短得离谱，那么这种高精度测量甚至是可能的，这是非常出乎意料的——而且我们的时间分辨率要快一百倍。”

量子材料可以拥有强大的磁性、超导或超流体相，而量子计算代表了解决经典计算机上耗时太长的问题的潜力。推动这种量子能力最终将为我们目前无法解决的问题提供解决方案。这要从基本的观察科学开始。

“到目前为止，还没有人能够构建出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，”该研究的共同第一作者、UM电气和计算机工程博士生MarkusBorsch说。“但是基础研究，比如研究固体中的电子运动如何在最基本的层面上发挥作用，可能会给我们一个引导我们朝着正确方向前进的想法。”

雷根斯堡大学的博士生JosefFreudenstein也是第一作者。

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