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(Noticias de Nanowerk) La clave para maximizar la velocidad de las computadoras convencionales o cuánticas radica en nuestra capacidad para comprender cómo se comportan los electrones en los sólidos, y una colaboración entre la Universidad de Michigan y la Universidad de Regensburg capturó el movimiento de los electrones en attosegundos, la velocidad más rápida hasta ahora.
Ver los electrones moverse en incrementos de una trillonésima de segundo podría ayudar a acelerar las velocidades de procesamiento hasta mil millones de veces más rápido de lo que es posible actualmente. Además, la investigación ofrece una herramienta «innovadora» para el estudio de la física de muchos cuerpos.
«El procesador de su computadora actual opera en gigahercios, que es una mil millonésima de segundo por operación», dijo Mackillo Kira, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM, quien dirigió los aspectos teóricos del estudio publicado en Naturaleza («Reloj de attosegundos de correlaciones entre electrones de Bloch»). «En la computación cuántica, esto es extremadamente lento porque los electrones dentro de un chip de computadora chocan billones de veces por segundo, y cada colisión termina el ciclo de la computación cuántica.
“Lo que necesitamos para impulsar el rendimiento son instantáneas de este movimiento de electrones miles de millones de veces más rápido. Y ahora lo tenemos”.
Rupert Huber, profesor de física en la Universidad de Ratisbona y autor correspondiente del estudio, dijo que el impacto potencial del resultado en el campo de la física de muchos cuerpos podría superar su impacto en las computadoras.
«Las interacciones de muchos cuerpos son las fuerzas impulsoras microscópicas detrás de las propiedades más codiciadas de los sólidos, que van desde hazañas ópticas y electrónicas hasta intrigantes transiciones de fase, pero han sido notoriamente esquivas», dijo Huber, quien dirigió el experimento. «Nuestro reloj de ataque de estado sólido podría convertirse en un verdadero cambio de juego, permitiéndonos diseñar nuevos materiales cuánticos con propiedades adaptadas con mayor precisión y contribuir al desarrollo de nuevas plataformas de materiales para la futura tecnología de información cuántica».
Para ver el movimiento de los electrones en materiales cuánticos bidimensionales, los investigadores suelen utilizar ráfagas cortas de luz ultravioleta extrema (XUV) enfocada. Estos estallidos pueden revelar la actividad de los electrones unidos a un núcleo atómico. Pero las grandes cantidades de energía transportada en estos estallidos impiden una observación clara de los electrones que viajan a través de los semiconductores, como en las computadoras actuales y en los materiales que se investigan para la computación cuántica.
Los ingenieros y socios de la UM utilizan dos pulsos de luz con escalas de energía que coinciden con las de estos electrones semiconductores en movimiento. El primero, un pulso de luz infrarroja, pone a los electrones en un estado que les permite viajar a través del material. El segundo, un pulso de terahercios de menor energía, obliga a estos electrones a seguir trayectorias de colisión frontal controladas. Los choques producen destellos de luz, cuyo momento preciso revela interacciones detrás de la información cuántica y materiales cuánticos exóticos por igual.
«Usamos dos pulsos: uno sintonizado energéticamente con el estado del electrón y luego un segundo pulso que hace que el estado cambie», dijo Kira. «Esencialmente, podemos filmar cómo estos dos pulsos cambian el estado cuántico del electrón y luego expresarlo como una función del tiempo».
La secuencia de dos pulsos permite medir el tiempo con una precisión superior al uno por ciento del período de oscilación de la radiación de terahercios que acelera los electrones.
«Esto es realmente único y llevó muchos años desarrollarlo», dijo Huber. «Es bastante inesperado que tales mediciones de alta precisión sean posibles dado lo ridículamente corto que es un solo ciclo de oscilación de luz, y nuestra resolución de tiempo es cien veces más rápida».
Los materiales cuánticos podrían tener fases magnéticas, superconductoras o superfluidas robustas, y la computación cuántica representa el potencial para resolver problemas que tomarían demasiado tiempo en las computadoras clásicas. El avance de tales capacidades cuánticas eventualmente creará soluciones a problemas que actualmente están fuera de nuestro alcance. Eso comienza con la ciencia observacional básica.
«Nadie ha podido construir una computadora cuántica escalable y tolerante a fallas, y ni siquiera sabemos cómo sería», dijo el coautor del estudio Markus Borsch, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y tecnología de la información de la UM. «Pero la investigación básica, como estudiar cómo funciona el movimiento electrónico en los sólidos en los niveles más fundamentales, podría darnos una idea que nos puede orientar en la dirección correcta».
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