Из курса школьной физики мы знаем, что скорость движения электронов в электронных устройствах очень высока, поэтому ученым бывает очень непросто изучить процессы, которые происходят при этом. Однако недавно эксперты из Universities of Michigan and Regensburg сконструировали устройство способное делать снимки этих элементарных частиц с дискретностью до квинтиллионных долей секунды. 

Впечатление художника от работы аттосекундных часов. Электроны, показанные синим и оранжевым цветом, сталкиваются, порождая вспышки света. Это позволяет понять, какие взаимодействия управляют квантовыми материалами и квантовой информацией, которую они переносят. Image credit: Brad Baxley (parttowhole.com)

Тактовая частота процессоров в современной вычислительной технике измеряется в наносекундах или миллиардных долях секунды. Это конечно очень быстро и вполне подходит для многих устройств, используемых нами сегодня, однако квантовые машины потенциально могут значительно ускорить процесс. Но для этого необходимо создать соответствующие технологии. 

"Частота работы процессоров современных компьютеров измеряется гигагерцами, то есть одна операция выполняется за одну миллиардную долю секунды", - рассказывает Макилло Кира, руководитель проекта. " С точки зрения квантовых вычислений это чрезвычайно медленно, потому что электроны в компьютерном микрочипе сталкиваются триллионы раз в секунду, и при каждом таком столкновении завершается цикл квантовой операции. Чтобы увеличить быстродействие системы, нам требовались снимки движения электронов, скорость которых была бы в миллиарды раз выше. И теперь мы их получили". 

Новая технология, разработанная авторами проекта, позволяет проводить измерения в принципиально ином временном масштабе - в аттосекундах, составляющих одну квинтиллионную долю секунды. Чтобы осознать, насколько короток этот промежуток времени, отметим, что в одной секунде в два раза больше аттосекунд, чем секунд во всей истории Вселенной. 

Безусловно, регистрация столь крохотных интервалов времени представляет собой непростую задачу, однако эксперты сконструировали уникальную технологию, с помощью которой им удалось это сделать. Эта техника предусматривает подачу двух световых импульсов с энергиями, совпадающими с энергией электронов. Один из них - импульс ультракрасного излучения, переводит электроны в состояние, позволяющее им перемещаться по полупроводниковому материалу. Следом подается терагерцовый (ТГц) импульс более низкой энергии. Он посылает электроны по траекториям, вызывающими лобовые столкновения. В результате возникает световая вспышка. Регистрируя точное время таких столкновений, специалисты могут анализировать процессы квантовых взаимодействий и изучать дополнительные нюансы.

"В нашем эксперименте использовалась пара импульсов - момент первого совпадал с энергетическим состоянием электрона, а второй импульс заставлял это состояние меняться", - рассказывает Кира. "Мы фактически записали процесс изменения квантового состояния электрона с помощью этих двух импульсов, а затем выразили его как функцию времени".

Команда говорит, что подобные механизмы являются лишь первым этапом на пути к созданию более совершенной квантовой вычислительной техники, благодаря более глубокому пониманию того, как происходит движение, поведение и взаимодействие электронов в различных материалах.

Результаты данного эксперимента зарегистрированы в международном издании "Nature".

Источники: University of Michigan, journal Nature, journal Newatlas

1. (https://www.nature.com/articles/s41586-022-05190-2)
2. (https://newatlas.com/physics/attoclock-electrons-attoseconds-quintillions-second/)
3. (https://news.umich.edu/seeing-electron-movement-at-fastest-speed-ever-could-help-unlock-next-level-quantum-computing/)