La clave para maximizar las velocidades de la computación cuántica o tradicional 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 el momento.
Ver los electrones moverse en incrementos de una trillonésima de segundo podría ayudar a impulsar las velocidades de procesamiento hasta mil millones de veces más rápido de lo que es posible actualmente. Además, la investigación ofrece una herramienta de «cambio de juego» para el estudio de la física de muchos cuerpos.
«El procesador de su computadora actual opera en gigahercios, eso 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. «En la computación cuántica, eso 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 necesitábamos, para impulsar el rendimiento, son instantáneas de ese movimiento de electrones que son mil millones de veces más rápido. Y ahora lo tenemos».
Rupert Huber, profesor de física en la Universidad de Regensburg 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 informático.
«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 difíciles de acceder», dijo Huber, quien dirigió el experimento. «Nuestro attoclock de estado sólido podría convertirse en un verdadero cambio de juego, permitiéndonos diseñar nuevos materiales cuánticos con propiedades adaptadas con mayor precisión y ayudar a desarrollar nuevas plataformas de materiales para la futura tecnología de información cuántica».
Para ver el movimiento de los electrones dentro de los materiales cuánticos bidimensionales, los investigadores suelen utilizar ráfagas cortas de luz ultravioleta extrema (XUV) enfocada. Esos estallidos pueden revelar la actividad de los electrones unidos al núcleo de un átomo. Pero las grandes cantidades de energía transportadas en esos 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 están explorando para las computadoras cuánticas.
Los ingenieros y socios de la UM emplean dos pulsos de luz con escalas de energía que coinciden con las de esos electrones semiconductores móviles. 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 esos electrones a entrar en trayectorias controladas de colisión frontal. Los choques producen ráfagas de luz, cuyo momento preciso revela interacciones detrás de la información cuántica y materiales cuánticos exóticos por igual.
«Usamos dos pulsos, uno que coincide 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 nos tomó muchos años de desarrollo», dijo Huber. «Es bastante inesperado que tales mediciones de alta precisión sean posibles si recuerdas cuán ridículamente corto es un ciclo de luz de oscilación única, y nuestra resolución de tiempo es cien veces más rápida aún».
Los materiales cuánticos podrían poseer fases magnéticas, superconductoras o superfluidas robustas, y la computación cuántica representa el potencial para resolver problemas que llevarían demasiado tiempo en las computadoras clásicas. Impulsar 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 hasta ahora y ni siquiera sabemos cómo sería», dijo el coautor del estudio Markus Borsch, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática 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 lleve en la dirección correcta».
Josef Freudenstein, estudiante de doctorado en la Universidad de Ratisbona, también es coautor. El estudio fue apoyado por la Fundación de Investigación Alemana, la Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación WM Keck y el Programa de Investigación Blue Sky de Michigan Engineering.