单电子量子电路的基准

时间：2021-12-08 12:52:25 来源：

最佳：由单电荷检测器记录的错误信号（x）的计数统计（ptx），显示为传输操作重复次数（t）的函数；这些重复是由单电子电路执行的。底部：基于此测量信号的基础“随机游动”（蓝线）的仿真。在此，线的宽度显示了执行步骤的频率。红线表示错误信号的单个路径。

一种抽象和通用描述量子电路保真度的新方法。

以利用量子效应为目标来操纵单个电子，为电子学提供了新的可能性和更高的精度。但是，这些单电子电路受量子力学定律支配，这意味着仍然会发生无误操作的偏离-尽管（在最佳情况下）这种情况很少发生。因此，对于这种基本不确定性的物理起源和计量方面的洞察对于量子电路的进一步发展至关重要。为此，Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）和拉脱维亚大学的科学家合作开发了一种统计测试方法。他们的结果已发表在《自然通讯》杂志上。

单电子电路已经被用作电流量子标准和量子计算机原型。在这些微型量子电路中，相互作用和噪声阻碍了对基本不确定性的研究，并且即使对于测量设备的计量精度而言，对其进行测量也是一个挑战。

在量子计算机领域，经常使用也称为“基准”的测试程序，其中，通过一系列操作之后的误差累积来评估整个电路的工作原理和保真度。基于这一原理，PTB和拉脱维亚大学的研究人员现已为单电子电路开发了基准。在这里，电路的保真度是由集成传感器记录的错误信号的随机步长来描述的，而电路会重复执行操作。对这种“随机游动”的统计分析可用于识别对单个量子粒子进行操纵时发生的罕见但不可避免的错误。

通过这种“随机游走基准”，在由PTB开发的单电子泵组成的电路中研究了惰性电子的传输，该单电子泵是实现安培（SI基本单位）的主要标准。在该实验中，灵敏的探测器以单电子分辨率记录误差信号。通过对单个粒子进行计数，使统计分析成为可能，它不仅显示了由外部噪声和时间相关性引起的电路保真度的基本限制，而且还提供了一种评估应用量子计量学中误差的可靠方法。

在这项工作范围内开发的方法为验证电量的量子标准提供了严格的数学基础，并为集成复杂量子系统的开发开辟了新途径。

参考：David Reifert，Martins Kokainis，Andris Ambainis，Vyacheslavs Kashcheyevs和Niels Ubbelohde撰写的“单电子电路的随机游走基准”，Nature Communications.DOI：2021年1月12日。
10.1038 / s41467-020-20554-w

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