快十萬倍！飛秒激光脈衝將帶來超高速量子計算機
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最近，一組國際科學家團隊發明了一種超短、可配置的「飛秒激光脈衝」，
此舉有望使得未來計算機速度比當今電子設備快十萬倍。
一種半導體晶體顯示出一種史無前例的能力，形成超短激光脈衝。
研究簡介
密歇根大學工程師團隊的研究顯示：「他們能控製激光脈衝內的峰值，並且扭曲光線」。
這種創新方法依靠「量子狀態」的效應，比傳統的電流形式的電子移動更加快速高效。
研究團隊成員、電氣工程和計算機科學系的教授 Mackillo Kira稱，
這項研究進展向著「光波電子學」邁出了重要的一步，有望在遙遠的未來，
實現量子計算機。
光波電子學
例如，在計算機半導體中移動的電子，有時會偶遇其他電子，
並且以熱量的形式釋放能量。但是，“光波電子學”的概念
卻認為電子可以通過超高速激光脈衝引導。
也許，你會認為駕駛員開車的速度越快，越容易碰上其他東西。
但是是，高速運動的電子卻不同，它的傳輸時間會更短，所以很難碰上其他東西。
雷根斯堡大學物理系教授 Rupert Huber領導了這一實驗，他說：
“在過去幾年，我們和其他研究小組發現，超短激光脈衝的振蕩電場，
實際上可在固體中前後移動電子。每個人都立即感到十分興奮，
因為這個原理可用於構建未來計算機，這種計算機可以運行在史無前例的時鍾頻率下，
速度是現在最先進的電子產品的十到十萬倍。”
具體原理
但是首先，研究人員要能夠控製半導體中的電子。
這項研究使用「太赫茲輻射」（微波和紅外線之間的電磁光譜部分），
移動半導體晶體內部的電子，以達到這個目標。
研究人員將激光脈衝發射到半導體硒化鎵晶體的內部。
這些脈衝持續時間十分短，不到100飛秒，即100個千萬億分之一秒。
每個脈衝將半導體中的電子推向更高的能級，這意味著它們能夠自由移動並推進它們。
半導體晶體相對於脈衝具有不同的方向，所以電子通過晶體時，會向不同方向移動。
例如，他們會沿著原子鍵，或者在原子鍵之間移動。
當電子從更高能級下來的時候，會發射出光線，
它們不同的移動軌跡會在脈衝中反應出來。
它們會發射出一種脈衝，比進來的電磁輻射更短。
這些光線爆發的時間只有幾個飛秒。
在晶體內部，當它們在原子間移動時，能足夠快速地獲取其他電子的快照，
並且它們也可以用於讀取和寫入電子的信息。
所以，研究人員需要能夠控製這些脈衝，然而晶體可以提供一些列的工具。
Kira的團隊和德國馬爾堡大學的科研人員一起合作進行了研究。
對於這個實驗，他解釋道：
“這些脈衝中快速的振蕩就像手指一樣。我們通過旋轉晶體，
很容易地就可以改變手指的位置。”
這種晶體是否扭曲發射出的光波，卻決於它相對於入射激光脈衝的方向。
量子計算機
因為飛秒脈衝的速度足夠快，以至於能夠攔截到進入激發態和脫離這個狀態之間的電子。
所以，它們可潛在應用於使用電子激發狀態作為量子比特的量子計算機。
Kira說：“例如，這里我們能夠同時以兩種激發途徑激發一個電子，
傳統意義上來說這是不可能的。這就是量子世界。在量子世界中，奇怪的事情發生了。”
電子的尺寸足夠小，且具有波粒二象性。當它在激發態時，波長會改變。
因為電子會同時處於兩種激發態，這兩種波長會相互干擾，
在電子發出的飛秒脈衝中留下痕跡。
Kira說：“這種巨大的量子效應可以通過飛秒脈衝觀察到，
作為一種新型、可控的振蕩頻率和方向。這是當然是基礎物理學，
同樣你也可以利用這個概念優化化學反應。你可以通過量子密碼學的新途徑，
安全地獲取存儲信息或者發送信息。”
對於使用頻閃的慢動作攝像頭，揭示自然中最快速的過程，
例如電子在原子中移動，Huber 有著特別的興趣，
他說：“我們在這個領域中，使用結晶體作為神奇的光源，
使得脈衝成形具有前所未有的可能性。”
論文相關
題為《來自塊狀晶體高次諧波載體域的對稱性控製的瞬時結構》
"Symmetry-controlled temporal structure of high-harmonic
carrier fields from a bulk crystal"的有關論文發表於《自然光子學》雜誌上，
研究由歐洲研究委員會和德國研究基金會讚助。
雷根斯堡大學物理系的博士研究生 Fabian Langer 說：
“對於電子來說，不同的能量地貌從一個晶體方向上，可以被看成平直的大街，
但是從其他的方向來看，會變成一個斜面。這意味著電子不再按照激光場的方向移動，
而是根據微觀環境自己移動。”
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現在的發明，真的是日新月異，一個速度比一個快，
也希望這些發明，可以對我們人類的生活有所大幫助。
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