Mjerenje elektrona u kvintilijuntnim dijelovima sekunde

Pokreti na razini čestica događaju se iznimno brzo, što može otežati uvid u ono što se tamo događa. Sada su inženjeri sa Sveučilišta u Michiganu i Regensburgu razvili "attoclock" koji može snimati elektrone u koracima od samo kvintiljuntnih dijelova sekunde.

Za trenutna računala, takt se mjeri u nanosekundama, što je milijarditi dio sekunde. I dok je to dovoljno brzo za ono za što ih danas koristimo, kvantna računala imaju potencijal drastično ubrzati stvari, samo nam prvo trebaju pravi alati.

"Procesor vašeg trenutnog računala radi u gigahercima, što je milijardni dio sekunde po operaciji", rekao je Mackillo Kira, glavni autor studije. "U kvantnom računalstvu to je iznimno sporo jer se elektroni unutar računalnog čipa sudaraju trilijune puta u sekundi i svaki sudar prekida kvantni računalni ciklus. Ono što nam je potrebno, kako bismo unaprijedili performanse, su snimke tog kretanja elektrona koji su milijardu puta brži. A sada to imamo."

Novi uređaj tima provodi mjerenja na potpuno različitoj vremenskoj skali - atosekundama, što je jedna kvintiljuntina sekunde. Da shvatimo koliko je kratak taj vremenski okvir, postoji više od dvostruko više atosekundi u jednoj sekundi nego što ima sekundi u cijeloj povijesti svemira do ove točke. Točnije rečeno, atosekunda je za sekundu ono što je sekunda za oko 31,71 milijardu godina.

Podrazumijeva se da bi snimanje ovako malenih inkremenata vremena bilo izazovno, ali tim je razvio novi sustav koji im to omogućuje. Tehnika uključuje dva svjetlosna impulsa s energijama koje odgovaraju elektronima – prvi je puls infracrvenog svjetla koji dovodi elektrone u stanje u kojem se mogu kretati kroz poluvodički materijal. Zatim se primjenjuje terahercni (THz) puls niže energije koji šalje elektrone na putanje kako bi izazvao čeone sudare. To proizvodi bljesak svjetlosti, a precizno vrijeme tih bljeskova može se analizirati kako bi se otkrile kvantne interakcije i drugi detalji.

"Koristili smo dva impulsa - jedan koji je energetski usklađen sa stanjem elektrona, a zatim drugi impuls koji uzrokuje promjenu stanja", navodi Kira. "U biti možemo snimiti kako ova dva impulsa mijenjaju kvantno stanje elektrona i onda to izraziti kao funkciju vremena."

Tim kaže da su uređaji poput ovog prvi korak prema boljim kvantnim računalima, unapređujući naše razumijevanje o tome kako se elektroni kreću, ponašaju i međusobno djeluju u materijalima.

Znanstveni rad objavljen u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.