Et benchmark for enkeltelektronkredsløb

Manipulering af individuelle elektroner med det mål at anvende kvanteeffekter giver nye muligheder og større præcision inden for elektronik. Imidlertid, disse enkeltelektronkredsløb er styret af kvantemekanikkens love, hvilket betyder, at afvigelser fra fejlfri drift stadig forekommer - om end (i det bedst mulige scenarie) kun meget sjældent. Dermed, indsigt i både den fysiske oprindelse og de metrologiske aspekter af denne fundamentale usikkerhed er afgørende for den videre udvikling af kvantekredsløb. Til denne ende, forskere fra PTB og Letlands Universitet har samarbejdet om at udvikle en statistisk testmetode. Deres resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Enkeltelektronkredsløb bruges allerede som elektriske strømkvantestandarder og i kvantecomputerprototyper. I disse miniaturiserede kvantekredsløb, interaktioner og støj hæmmer undersøgelsen af ​​de grundlæggende usikkerheder, og måling af dem er en udfordring, selv for måleapparatets metrologiske præcision.

Inden for kvantecomputere, en testprocedure også kaldet et "benchmark" bruges ofte, hvor driftsprincippet og pålideligheden af ​​hele kredsløbet evalueres via akkumulering af fejl efter en sekvens af operationer. Ud fra dette princip, forskere fra PTB og Letlands Universitet har nu udviklet et benchmark for enkeltelektronkredsløb. Her, kredsløbets troværdighed beskrives af de tilfældige trin i et fejlsignal, der registreres af en integreret sensor, mens kredsløbet gentagne gange udfører en operation. Den statistiske analyse af denne "random walk" kan bruges til at identificere de sjældne, men uundgåelige fejl, når individuelle kvantepartikler manipuleres.

Ved hjælp af dette "random-walk benchmark", overførslen af ​​individuelle elektroner blev undersøgt i et kredsløb bestående af enkeltelektronpumper udviklet hos PTB som primære standarder for at realisere ampere, en SI-basisenhed. I dette eksperiment, Følsomme detektorer registrerer fejlsignalet med enkelt-elektron opløsning. Den statistiske analyse, der er muliggjort ved at tælle individuelle partikler, viser ikke kun fundamentale begrænsninger af kredsløbets troskab induceret af ekstern støj og tidsmæssige korrelationer, men giver også et robust mål for vurdering af fejl i anvendt kvantemetrologi.

Metoden udviklet inden for rammerne af dette arbejde giver et stringent matematisk grundlag for validering af kvantestandarder for elektriske størrelser og åbner nye veje for udvikling af integrerede komplekse kvantesystemer.