为下一代量子计算机铺路：科学家首次以阿秒级速度拍摄电子运动

光子盒研究院出品

10月12日，《自然》杂志刊发德国和美国科学家的最新研究成果《布洛赫（Bloch）电子之间相关性的阿秒计时》[1]，该团队以迄今为止最快的速度（300阿秒，1阿秒=10秒）实现了电子运动的拍摄。

领导这项研究的密歇根大学电子工程与计算机科学系Mackillo Kira教授说：“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。但是对于量子计算，这非常慢，因为量子计算机芯片内的电子每秒碰撞数万亿次，每次碰撞都会终止计算。”[2]

Kira补充道：“为了推动（量子计算机）性能向前发展，我们需要的是快10亿倍（1阿秒是十亿分之一的十亿分之一）的电子运动的快照。现在我们有了。”

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全新高精度阿秒计时

一般来说，在市中心开车比在乡村道路上行驶同样的距离需要更长时间。毕竟，司机在市中心会遇到很多红灯、道路工程和交通堵塞情况；相反，如果想知道一条道路有多繁忙，仅需测量汽车行驶一定距离花费的时间：这正是现代导航系统识别交通障碍物的方式。这一逻辑可以应用于微观世界：当电子（最小的电荷载体）在固体中移动时，它们可以与其他电子相互作用，改变其动态；由于电子的质量很小，相关过程发生的速度快得难以想象，它们遵循的是量子物理学定律，而非经典力学。

此次，由德国雷根斯堡大学实验与应用物理研究所的Rupert Huber教授和美国密歇根大学电子工程与计算机科学系的Mackillo Kira教授领导的团队首次成功地追踪了固体中自由电子（WSe）的超快运动，其精度高到令人难以置信：只有几百阿秒。这一分辨率足以研究由其他电荷载体的吸引或复杂的多体关联引起的电子量子动力学的最小变化。

左图：Rupert Huber；右图：Mackillo Kira

一阿秒相当于十亿分之一秒的十亿分之一，它与一秒钟的关系就像一秒钟与宇宙年龄的两倍一样。即使是光，在一阿秒内也只能走过一个原子直径的距离。为了测量电子在如此短的时间尺度上的运动，研究人员开发了一种新型的阿秒计时。

这个时钟的“钟摆”是由光的振荡载波提供的，这是人类可以控制的最快的交变场。光场实际上是把电荷载流子放在一个通过固体的测试轨道上。它首先在一个方向上加速半导体样品中的电子，在扭转场的方向后，将它们与它们被移除的间隙（即所谓的空穴）重新对撞。在这个过程中，高能量的光子被发射出来。碰撞发生的可能性并不总是相同，而是取决于电子开始运动的时间点。

实验装置示意图

研究人员对这一碰撞路径的计时比光振荡周期的百分之一还要精确，因此能够显示电荷载体之间的不同吸引力强度如何改变它们的动态[3]。雷根斯堡大学实验与应用物理研究所的Josef Freudenstein是第一作者，他解释说：“就像在繁忙的交通中，为了按时到达目的地，最好提前出发一样，如果晶体中的电子之间有许多强烈的相遇，那么电子就必须提前开始其碰撞路线。”由此产生的离域电子阿秒计时可以彻底改变对未来电子、光电子和量子信息技术的意外相变和出现的量子动力学现象的理解。

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双脉冲序列：观察电子的量子态

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一样。

密歇根大学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；然后，第二个是能量较低的太赫兹脉冲，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，”密歇根大学电气工程和计算机科学教授Mackillo Kira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。

识别单层和块体WSe

在块状和单层WSe中计时准粒子碰撞

“这真的很独特，我们花了很多年的时间来开发，”德国雷根斯堡大学物理学教授、该研究的通讯作者Rupert Huber说：“光的单个振荡周期短得离谱，这种高精度测量甚至是非常出乎意料的：而且，我们的时间分辨率要快一百倍。”

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改变多体物理学的游戏规则

Huber表示，该研究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。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，并为未来的量子信息技术开发新的材料平台。”

“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、密歇根大学电气和计算机工程博士生Markus Borsch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。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05190-2

[2]https://phys.org/news/2022-10-crystalline-attoclock-ultrafast-motion-free.html?deviceType=desktop

[3]https://techxplore.com/news/2022-10-electron-movement-fastest-next-level-quantum.html