“阿秒鐘”以迄今最快速度觀測自由電子運動

將傳統或量子計算速度最大化的關鍵在於了解電子在固體中的行為。據一項發表在12日《自然》雜誌上的研究，美國密歇根大學和德國雷根斯堡大學的研究人員合作，捕捉到了電子在幾百阿秒（1阿秒=10-18秒）內的運動，這是迄今為止最快的速度。

觀察到電子以阿秒級的增量移動，有助於將處理速度提高到目前可能速度的10億倍。此外，這項成果還為多體物理的研究提供了一種“改變遊戲規則”的工具，使人們能夠設計具有更精確定制屬性的新型量子材料，為未來的量子資訊技術開發新的材料平臺。

研究人員表示，電腦處理器以千兆赫的速度運作，這相當於每一次操作耗時十億分之一秒。在量子計算中，這是極其緩慢的，因為電腦晶片中的電子每秒碰撞數萬億次，每次碰撞都會終止量子計算週期。“為了提升量子計算的性能，我們需要的是快10億倍的電子運動速度的快照。現在，我們做到了。”

為了觀察二維量子材料中的電子運動，研究人員通常使用聚焦極紫外線的短脈衝。這些爆發可以揭示圍繞原子核的電子的活動。但是，在這些爆發中攜帶的大量能量阻礙了科學家對穿過半導體的電子的清晰觀察。

為了觀察自由電子在固體中的超快運動，研究人員開發了一種新型的阿秒“秒錶”。這個“阿秒鐘”的“鐘擺”是兩個光脈衝，一個是與電子的狀態相匹配的能量脈衝，另一個是導致狀態改變的脈衝。他們基本上可以拍攝這兩個脈衝如何改變電子的量子態，然後將其表達為時間的函數。

雙脈衝序列允許研究人員進行時間測量，其精確度比加速電子的太赫茲光週期的百分之一還要高。這種高精度的測量是令人難以想像的。

量子材料可能具有強大的磁性、超導或超流體相，而量子計算則具有比經典電腦更快解決問題的潛力。要想使潛力變為現實，就要從基礎觀察科學開始。研究人員表示，研究固體中的電子運動如何在最基本的層面上發揮作用，可能引導人們朝著正確的方向前進。