Новая методология абстрактного и универсального описания точности квантовых схем.
Манипулирование отдельными электронами с целью использования квантовых эффектов открывает новые возможности и большую точность в электронике. Однако эти одноэлектронные схемы подчиняются законам квантовой механики, а это означает, что отклонения от безошибочной работы все же происходят, хотя (в наилучшем возможном сценарии) очень редко. Таким образом, понимание как физического происхождения, так и метрологических аспектов этой фундаментальной неопределенности имеет решающее значение для дальнейшего развития квантовой схемы. С этой целью ученые из Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) и Латвийского университета совместно разработали методологию статистического тестирования. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Одноэлектронные схемы уже используются в качестве квантовых стандартов электрического тока и в прототипах квантовых компьютеров. В этих миниатюрных квантовых схемах взаимодействия и шум затрудняют исследование фундаментальных погрешностей, и их измерение является проблемой даже для метрологической точности измерительного устройства.
В области квантовых компьютеров часто используется процедура тестирования, также называемая «эталонным тестом», в которой принцип работы и точность всей схемы оцениваются путем накопления ошибок после последовательности операций. Основываясь на этом принципе, исследователи из PTB и Латвийского университета разработали эталон для одноэлектронных схем. Здесь точность схемы описывается случайными шагами сигнала ошибки, регистрируемого интегрированным датчиком, в то время как схема многократно выполняет операцию. Статистический анализ этого «случайного блуждания» может быть использован для выявления редких, но неизбежных ошибок при манипулировании отдельными квантовыми частицами.
С помощью этого «эталонного теста случайного блуждания» был исследован перенос отдельных электронов в схеме, состоящей из одноэлектронных насосов, разработанных в PTB в качестве основных эталонов для реализации ампера, базовой единицы СИ. В этом эксперименте чувствительные детекторы регистрируют сигнал ошибки с одноэлектронным разрешением. Статистический анализ, который стал возможным благодаря подсчету отдельных частиц, не только показывает фундаментальные ограничения точности схемы, вызванные внешним шумом и временными корреляциями, но также обеспечивает надежную меру оценки ошибок в прикладной квантовой метрологии.
Методология, разработанная в рамках этой работы, обеспечивает строгую математическую основу для проверки квантовых стандартов электрических величин и открывает новые пути для разработки интегрированных сложных квантовых систем.
