En haut :Statistiques de comptage (ptx) d'un signal d'erreur (x) enregistré par un détecteur de charge unique, représenté en fonction du nombre de répétitions (t) de l'opération de transfert; ces répétitions ont été effectuées par le circuit monoélectronique. En bas :simulation des « marches aléatoires » sous-jacentes (lignes bleues) sur la base de ce signal de mesure. Ici, la largeur de la ligne indique la fréquence à laquelle une étape a lieu. La ligne rouge illustre un chemin unique du signal d'erreur. Crédits :Ubbelohde
La manipulation d'électrons individuels dans le but d'utiliser des effets quantiques offre de nouvelles possibilités et une plus grande précision en électronique. Cependant, ces circuits monoélectroniques sont régis par les lois de la mécanique quantique, ce qui signifie que des écarts par rapport au fonctionnement sans erreur se produisent toujours, bien que (dans le meilleur scénario possible) que très rarement. Ainsi, des informations sur l'origine physique et les aspects métrologiques de cette incertitude fondamentale sont cruciales pour le développement ultérieur des circuits quantiques. À cette fin, des scientifiques de la PTB et de l'Université de Lettonie ont collaboré pour développer une méthodologie de test statistique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature .
Les circuits à un électron sont déjà utilisés comme étalons quantiques de courant électrique et dans des prototypes d'ordinateurs quantiques. Dans ces circuits quantiques miniaturisés, les interactions et le bruit entravent l'investigation des incertitudes fondamentales et leur mesure est un défi, même pour la précision métrologique de l'appareil de mesure.
Dans le domaine des ordinateurs quantiques, une procédure de test également appelée "benchmark" est fréquemment utilisée dans laquelle le principe de fonctionnement et la fidélité de l'ensemble du circuit sont évalués via l'accumulation d'erreurs suite à une séquence d'opérations. Sur la base de ce principe, des chercheurs de la PTB et de l'Université de Lettonie ont maintenant développé une référence pour les circuits à électron unique. Ici, la fidélité du circuit est décrite par les étapes aléatoires d'un signal d'erreur enregistré par un capteur intégré pendant que le circuit exécute de manière répétée une opération. L'analyse statistique de cette « marche aléatoire » peut être utilisée pour identifier les erreurs rares mais inévitables lorsque des particules quantiques individuelles sont manipulées.
Au moyen de ce "repère de marche aléatoire", le transfert d'électrons individuels a été étudié dans un circuit constitué de pompes à électron unique développées au PTB comme étalons primaires pour la réalisation de l'ampère, une unité de base SI. Dans cette expérience, des détecteurs sensibles enregistrent le signal d'erreur avec une résolution à un seul électron. L'analyse statistique rendue possible par le comptage des particules individuelles montre non seulement les limitations fondamentales de la fidélité du circuit induites par le bruit externe et les corrélations temporelles, mais fournit également une mesure robuste d'évaluation des erreurs dans la métrologie quantique appliquée.
La méthodologie développée dans le cadre de ce travail fournit une base mathématique rigoureuse pour valider les normes quantiques des quantités électriques et ouvre de nouvelles voies pour le développement de systèmes quantiques complexes intégrés.
