Początek nowej ery pomiarów kwantowych
Metrologia to dziedzina nauki zajmująca się identyfikowalnością, dokładnością i spójnością pomiarów. Międzynarodowy Układ Jednostek Miar, określany skrótem SI, określa globalne normy i definicje jednostek fizycznych, które stanowią podstawę wszystkich pomiarów. W rzeczywistości oznacza to, że istnieją wzorce kilograma oraz metra, które od XIX wieku są przechowywane w Paryżu. Na ich podstawie powstały krajowe normy metrologiczne.
Uniwersalna norma kwantowa dla prądów elektrycznych
W 2019 roku staliśmy się świadkami opracowania nowych definicji jednostek zawartych w układzie SI, opartych na kluczowych wartościach wynikających z natury. Dzięki temu wiele jednostek miary nie wymaga już wyprowadzania ich za pomocą określonych metod lub urządzeń. Zmiana ta stworzyła nowe możliwości realizacji dokładnych pomiarów prądów elektrycznych na poziomie kwantowym - jedynym wymogiem było odkrycie i potwierdzenie podstawowych wartości stałych. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu QUANTUM E-LEAPS miał na celu rozwój metrologii kwantowej dotyczącej prądu elektrycznego, skupiając się na procesie zwanym koherentną zmianą stanów kwantowych (ang. coherent quantum phase slips, CQPS). W tym celu w ramach projektu badacze przyjrzeli się nadprzewodzącym nanodrutom charakteryzujących się średnicami mierzonymi w nanoskali. „W odcinkach nanodrutów obserwujemy fluktuacje energii, które natychmiast stawiają opór prądowi”, wyjaśnia Antti Kemppinen, koordynator projektu z ramienia fińskiego ośrodka badawczego VTT Technical Research Centre. „Chcieliśmy sprawdzić, czy zjawisko to, nazywane zmianą stanu kwantowego, można wykorzystać jako dynamiczny ekwiwalent kwantowego standardu napięcia”.
Nowy standard prądu oparty na zmianie stanów kwantowych
Naukowcy od dawna przewidywali, że zjawiska fizyczne będą zbliżone do tych, które są związane z istniejącym standardem prądu kwantowego, nazywanego złączem Josephsona. Badacze byli w stanie z powodzeniem wykazać, że standard oparty na zmianie stanów kwantowych może zostać połączony z istniejącymi standardami napięcia. „Odkryliśmy dowody na istnienie istotnego zjawiska, którego szukaliśmy”, mówi Kemppinen. „To jednak wciąż badania podstawowe. Nasze działania koncentrowały się na poprawie zrozumienia podstaw fizyki”.
Prostsze pomiary elektryczne
Celem realizowanych przez badaczy prac jest wdrożenie standardu prądu kwantowego opartego na tej fundamentalnej stałej występującej w naturze. Główną zaletą takiego rozwiązania będzie uproszczenie pomiarów elektrycznych. „Dobrym przykładem korzyści są globalne systemy nawigacji satelitarnej”, dodaje Kemppinen. „Nie musimy kalibrować satelitów GPS, ponieważ ich działanie opiera się na podstawach metrologii, w tym wypadku na zegarze atomowym”. Zegary atomowe mierzą czas dzięki pomiarowi częstotliwości rezonansowej atomów, co zapewnia ich wyjątkową dokładność. Umożliwia to smartfonom odbieranie danych na temat pozycji bez konieczności ich dostrajania lub precyzyjnej kalibracji przez naukowców. „W przypadku wielu urządzeń prostota obsługi jest równie ważna jak jego osiągi”, zauważa Kemppinen. „Wystarczy pomyśleć o samochodzie. Dany pojazd może mieć doskonałe przyspieszenie i najnowsze nowinki techniczne, jednak z punktu widzenia społeczeństwa będzie bezużyteczny, jeśli do jego prowadzenia będzie potrzebny wyspecjalizowany naukowiec”. Rezultaty projektu QUANTUM E-LEAPS pozwolą na opracowanie prostych standardów prądu kwantowego, które usprawnią kalibracje metrologiczne wymagane przez sektor elektroniczny. Dzięki temu mogą powstać nowe rozwiązania w dynamicznie rozwijającej się dziedzinie technologii kwantowych, w tym czujniki kwantowe, systemy komunikacji lub komputery.
Słowa kluczowe
QUANTUM E-LEAPS, kwantowe, elektryczny, metrologia, energia, nanoskala, CQPS
