Hvordan dampmaskinen fra det 18. århundrede hjalp fysikere med at lave et kvantegennembrud

Den hvæsende lyd, du hører i baggrunden, når du skruer op for lyden på din musikafspiller, kaldes "støj". Det meste af dette sus skyldes den termiske bevægelse af elektroner i musikafspillerens kredsløb. Ligesom molekyler i en varm gas, elektroner i kredsløbet bevæger sig konstant rundt på en tilfældig måde, og denne bevægelse giver anledning til et uønsket støjsignal.

Men der er en anden type støj, der kun kommer i spil, når vi har en elektrisk strøm, der løber. Denne støj er kendt som skudstøj. Forhindringer, der genererer skudstøj på denne måde, findes i mange elektroniske komponenter, såsom dioder og nogle transistorer, og elektroniske ingeniører gør en stor indsats for at forsøge at slippe af med virkningerne af alle støjkilder, inklusive skudstøj, i deres designs.

Nu har en ny undersøgelse vist, at skudstøj kan elimineres ved sin mikroskopiske oprindelse. Og for at gøre det, de har lånt en idé fra en usandsynlig kilde – dampmaskinens tidlige dage.

Kvantesærlighed

Skudstøj har sin oprindelse i, at elektrisk strøm er sammensat af en strøm af individuelle partikler – elektroner – og at disse partiklers adfærd er styret af kvantemekanikkens mærkelige love.

Når en elektron støder på en forhindring, som du skulle tro ville blokere dens vej, kvantemekanikken giver mulighed for, at den kan passere uhindret igennem den. Dette kaldes kvantetunnelering, og det gør det tilsyneladende umulige muligt. Det vigtige ved kvantetunnelering er, at det er en tilfældig proces - kvantemekanikken kan fortælle os, med hvilken sandsynlighed en elektron kan tunnelere, men det kan ikke fortælle os, om en bestemt elektron vil tunnelere eller ej.

Dermed, hvis en strøm af elektroner rammer en forhindring, nogle vil tunnelere og nogle vil ikke, og dette sker på en helt tilfældig måde. Hvis vi kunne lytte til ankomsten af ​​en strøm af elektroner, der tunnelerer på denne måde, det ville lyde noget i retning af det tilfældige smæld af regndråber på et fladt tag. Det er denne tilfældighed, sammenlignet med det regimentede dryp-dryp-dryp af en vandhane, der udgør skudstøj.

I det 18. århundrede, James Watt kæmpede for at få sin dampmaskine til at køre med konstant hastighed. For at løse dette problem, han kom med "centrifugalguvernøren" i 1788, en anordning, der bestod af to metalkugler, der roterede på en lodret spindel drevet af dampmaskinen. Hvis motoren kørte for hurtigt, kuglerne ville bevæge sig opad under centrifugalkraften (en kraft, der virker på et legeme, der bevæger sig i en cirkulær bane, er rettet væk fra midten, som kroppen bevæger sig omkring).

Denne bevægelse blev koblet ind i en ventil, som derefter reducerede strømmen af ​​damp gennem motoren, bremse det. Omvendt hvis motoren kørte for langsomt, kuglerne ville falde, ventilerne ville åbne, og motoren ville sætte fart. På denne måde Watt var i stand til at stabilisere sin motors output omkring en konstant hastighed. Dermed var han kommet med et tidligt eksempel på, hvad vi nu ville kalde feedbackkontrol.

James Watt til undsætning

Det nye eksperiment fokuserer på en ultra-lille elektronikenhed kendt som single-electron transistor, som en dag kan danne grundlag for ekstremt effektive, miniature elektronik. Disse enkelt-elektron transistorer er lidt ligesom almindelige transistorer, som skifter elektroniske signaler, men taget til den yderste grænse for miniaturisering, således at elektroner bevæger sig gennem dem én ad gangen. Dette sker via kvantetunnelering, hvilket betyder, at strømmen gennem en enkelt-elektron transistor lider af tilfældigheden af ​​skudstøj.

Ved hjælp af følsomme ladningsmålinger, forskerne var i stand til at detektere præcis, hvornår en elektron var tunneleret gennem transistoren. Baseret på denne elektrontælling, de justerede derefter transistorens spændinger, efter Watts opskrift for centrifugalregulatoren:hvis flere elektroner end normalt var tunneleret, de ændrede spændingerne for at reducere flowet; hvis færre havde tunneleret, spændingerne blev ændret for at øge flowet.

På denne måde de var i stand til at vise, at efter en vis tid var gået, det samlede antal elektroner, der skal have tunneleret gennem enheden, kunne kontrolleres præcist, med resultaterne næsten helt fri for tilfældigheden i den støjende tunnelproces.

Teknikken kommer måske ikke ind i din forbrugerelektronik på et øjeblik. Forskningen blev udført ved lav temperatur på en enkelt enhed, så vi først skulle få den til at fungere ved stuetemperatur og skalere funktionen op. Alligevel, det repræsenterer et vigtigt gennembrud, da den rapporterer om den første anvendelse af feedbackkontrol i elektronik, der virker på niveauet af den enkelte elektron.

Resultaterne er især vigtige for udviklingen af ​​fremtidige kvanteteknologier, som ser ud til at udnytte kvantefysikkens særegenheder til at lave enheder, der klart overgår vores nuværende bedste. Sådanne maskiner kan være et stort løft på områder, herunder sikker kommunikation, kodebrud, præcisionsmåling og kvantitativ analyse af "big data". Kvanteteknologier kræver dog en udsøgt grad af kontrol og, som denne forskning viser, gennemprøvede feedback-teknikker med deres rødder i dampalderen kan stadig spille en vigtig rolle.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.