Przez dekady naukowcy zmagali się z pozornie nierozwiązywalnym problemem – jak połączyć w jednym urządzeniu systemy pomiarowe, które wzajemnie się zakłócają. Amerykański National Institute of Standards and Technology (NIST) ogłosił właśnie przełom, który może zmienić oblicze precyzyjnych pomiarów elektrycznych.
Kluczowym wyzwaniem okazała się integracja dwóch delikatnych technologii kwantowych w jednym układzie. Zespół naukowców pracujących pod kierownictwem Jasona Underwooda musiał połączyć kwantowy anomalny rezystor Halla z programowalnym standardem napięcia Josephsona wewnątrz pojedynczego kriostatu. Paradoksalnie, jeden system wymagał silnego pola magnetycznego, podczas gdy drugi pod jego wpływem działał nieprawidłowo. Rozwiązanie przyszło dzięki nowemu materiałowi, który umożliwił funkcjonowanie obu systemów bez obecności zewnętrznego pola magnetycznego.
Czytaj także: Przełomowy pomiar kształtu elektronów. Naukowcy z MIT dokonali niemożliwego
Urządzenie operuje w temperaturach bliskich zera absolutnego, gdzie efekty kwantowe dominują nad klasycznymi. To właśnie te zjawiska zapewniają niezwykłą precyzję pomiarów, znacznie przewyższającą możliwości konwencjonalnych metod.
Osiągnięte parametry pomiarowe rzeczywiście imponują. System wykonuje pomiary napięcia od 0,24 do 6,5 miliwolta z niepewnościami względnymi sięgającymi zaledwie 3 mikrowoltów na wolt. W pomiarach rezystancji urządzenie osiąga precyzję bliską 1 mikrooma na om, wszystko przy zerowym polu magnetycznym. Natężenie prądu mierzone jest w zakresie od 9,33 do 252 nanoamperów, z minimalną niepewnością 4,3 mikroampera na amper.
Naukowcy odkryli jednak systematyczny błąd w zakresie od -10 do -30 mikroamperów na amper dla niektórych wartości prądu. Wynika to z niedoskonałej izolacji polaryzacji mikrofalowej w systemie Josephsona, co wskazuje wyraźnie, że technologia wciąż wymaga dopracowania.
Nowa technologia może zrewolucjonizować sposób definiowania standardów elektrycznych. Zunifikowany system realizuje pomiary wszystkich trzech podstawowych jednostek elektrycznych zgodnie ze zrewidowanym Układem SI. Dotychczas laboratoria metrologiczne musiały utrzymywać oddzielne, kosztowne systemy dla każdego typu pomiaru. Pojedyncze urządzenie stanowiące pierwotny standard elektryczny może przynieść znaczące oszczędności zarówno pod względem kosztów, jak i złożoności infrastruktury pomiarowej.
Potencjalne zastosowania obejmują najwyższej klasy laboratoria pomiarowe, krajowe instytucje metrologiczne oraz produkcję precyzyjnych urządzeń elektronicznych. W diagnostyce medycznej i badaniach naukowych dokładniejsze pomiary elektryczne mogą otworzyć drogę do nowych odkryć, choć na praktyczne wdrożenie przyjdzie nam jeszcze poczekać.
Czytaj także: Potężny komputer kwantowy zmiótł konkurencję z planszy. Dotychczasowy rekord został pobity 100-krotnie
Badacze liczą, że ich osiągnięcie pobudzi innowacje w rozwoju topologicznych systemów materiałowych, które znajdują zastosowanie w komputerach kwantowych. Kolejnym obszarem jest projektowanie kriostatów – urządzeń chłodzących niezbędnych do utrzymania warunków kwantowych. Udana integracja dwóch wrażliwych systemów w jednym kriostacie otwiera możliwości tworzenia jeszcze bardziej złożonych instrumentów kwantowych.
Prace zespołu z NIST pokazują, że pozornie niekompatybilne technologie kwantowe można skutecznie ze sobą łączyć. To ważny krok w rozwoju praktycznych zastosowań mechaniki kwantowej. Co dalej z tym wynalazkiem? Czas pokaże, czy uda się przekształcić laboratoryjny prototyp w praktyczne narzędzie pomiarowe. Na razie możemy obserwować z zaciekawieniem, jak naukowcy stopniowo przekuwają kwantowe paradoksy w praktyczną technologię.