将传统或量子计算速度最大化的关键在于了解电子在固体中的行为。据一项发表在12日《自然》杂志上的研究,美国密歇根大学和德国雷根斯堡大学的研究人员合作,捕捉到了电子在几百阿秒(1阿秒=10-18秒)内的运动,这是迄今为止最快的速度。

观察到电子以阿秒级的增量移动,有助于将处理速度提高到目前可能速度的10亿倍。此外,这项成果还为多体物理的研究提供了一种“改变游戏规则”的工具,使人们能够设计具有更精确定制属性的新型量子材料,为未来的量子信息技术开发新的材料平台。

研究人员表示,计算机处理器以千兆赫的速度运行,这相当于每一次操作耗时十亿分之一秒。在量子计算中,这是极其缓慢的,因为计算机芯片中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。“为了提升量子计算的性能,我们需要的是快10亿倍的电子运动速度的快照。现在,我们做到了。”

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线的短脉冲。这些爆发可以揭示围绕原子核的电子的活动。但是,在这些爆发中携带的大量能量阻碍了科学家对穿过半导体的电子的清晰观察。

为了观察自由电子在固体中的超快运动,研究人员开发了一种新型的阿秒“秒表”。这个“阿秒钟”的“钟摆”是两个光脉冲,一个是与电子的状态相匹配的能量脉冲,另一个是导致状态改变的脉冲。他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。

双脉冲序列允许研究人员进行时间测量,其精确度比加速电子的太赫兹光周期的百分之一还要高。这种高精度的测量是令人难以想象的。

量子材料可能具有强大的磁性、超导或超流体相,而量子计算则具有比经典计算机更快解决问题的潜力。要想使潜力变为现实,就要从基础观察科学开始。研究人员表示,研究固体中的电子运动如何在最基本的层面上发挥作用,可能引导人们朝着正确的方向前进