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A chave para maximizar as velocidades de computação tradicional ou quântica está em nossa capacidade de entender como os elétrons se comportam em sólidos, e uma colaboração entre a Universidade de Michigan e a Universidade de Regensburg capturou o movimento dos elétrons em attossegundos – a velocidade mais rápida até agora.
Ver os elétrons se movendo em incrementos de um quintilionésimo de segundo pode ajudar a aumentar a velocidade de processamento em até um bilhão de vezes mais rápido do que o atualmente possível. Além disso, a pesquisa oferece uma ferramenta de “mudança de jogo” para o estudo da física de muitos corpos.
“O processador do seu computador atual opera em gigahertz, isso é um bilionésimo de segundo por operação”, disse Mackillo Kira, professor de engenharia elétrica e ciência da computação da UM, que liderou os aspectos teóricos do estudo publicado em Natureza. “Na computação quântica, isso é extremamente lento porque os elétrons dentro de um chip de computador colidem trilhões de vezes por segundo e cada colisão encerra o ciclo de computação quântica.
“O que precisávamos, para impulsionar o desempenho, eram instantâneos desse movimento de elétrons que são um bilhão de vezes mais rápidos. E agora temos.”
Rupert Huber, professor de física da Universidade de Regensburg e autor correspondente do estudo, disse que o impacto potencial do resultado no campo da física de muitos corpos pode superar seu impacto na computação.
“As interações de muitos corpos são as forças motrizes microscópicas por trás das propriedades mais cobiçadas dos sólidos – desde feitos ópticos e eletrônicos até intrigantes transições de fase – mas elas são notoriamente difíceis de acessar”, disse Huber, que liderou o experimento. “Nosso attoclock de estado sólido pode se tornar um verdadeiro divisor de águas, permitindo-nos projetar novos materiais quânticos com propriedades mais precisamente adaptadas e ajudar a desenvolver novas plataformas de materiais para a futura tecnologia de informação quântica”.
Para ver o movimento de elétrons dentro de materiais quânticos bidimensionais, os pesquisadores normalmente usam rajadas curtas de luz ultravioleta extrema focada (XUV). Essas explosões podem revelar a atividade de elétrons ligados ao núcleo de um átomo. Mas as grandes quantidades de energia transportadas nessas explosões impedem a observação clara dos elétrons que viajam através de semicondutores – como nos computadores atuais e em materiais em exploração para computadores quânticos.
Os engenheiros e parceiros da UM empregam dois pulsos de luz com escalas de energia que combinam com os elétrons semicondutores móveis. O primeiro, um pulso de luz infravermelha, coloca os elétrons em um estado que lhes permite viajar através do material. O segundo, um pulso terahertz de baixa energia, então força esses elétrons em trajetórias controladas de colisão frontal. As colisões produzem rajadas de luz, cujo momento preciso revela interações por trás de informações quânticas e materiais quânticos exóticos.
“Usamos dois pulsos – um que é energicamente combinado com o estado do elétron e, em seguida, um segundo pulso que faz com que o estado mude”, disse Kira. “Nós podemos essencialmente filmar como esses dois pulsos mudam o estado quântico do elétron e então expressar isso em função do tempo”.
A sequência de dois pulsos permite a medição do tempo com uma precisão melhor do que um por cento do período de oscilação da radiação terahertz que acelera os elétrons.
“Isso é realmente único e nos levou muitos anos de desenvolvimento”, disse Huber. “É bastante inesperado que tais medições de alta precisão sejam possíveis se você se lembrar de quão ridiculamente curto é um único ciclo de oscilação da luz – e nossa resolução de tempo é cem vezes mais rápida ainda.”
Os materiais quânticos podem possuir fases magnéticas, supercondutoras ou superfluidas robustas, e a computação quântica representa o potencial para resolver problemas que levariam muito tempo em computadores clássicos. Empurrar essas capacidades quânticas acabará criando soluções para problemas que estão atualmente fora de nosso alcance. Isso começa com a ciência observacional básica.
“Ninguém foi capaz de construir um computador quântico escalável e tolerante a falhas até agora e nem sabemos como isso seria”, disse o co-autor do estudo Markus Borsch, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação da UM. “Mas pesquisas básicas como estudar como o movimento eletrônico em sólidos funciona nos níveis mais fundamentais podem nos dar uma ideia que nos leva na direção certa.”
Josef Freudenstein, estudante de doutorado na Universidade de Regensburg, também é co-autor. O estudo foi apoiado pela Fundação Alemã de Pesquisa, pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pela Fundação WM Keck e pelo Programa de Pesquisa Blue Sky da Michigan Engineering.
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