Представете си обикновен мултиметър – малко устройство с проводници и

Какво представлява квантовият мултиметър? Създадено е устройство, което обещава измервания с перфектна точност

Представете си елементарен мултиметър – малко устройство с проводници и екран, което е в арсенала на всеки инженер или просто домакински занаятчия. Той мери напрежението, силата на тока и съпротивлението – трите стълба на актуалната електроника. А в този момент си представете, че учените са основали неговия квантов „ по-голям брат “ – устройство, което прави същото, само че с акуратност, лимитирана единствено от фундаменталните закони на природата. Звучи като научна фантастика, нали? Но това към този момент е действителност.

Неотдавна екип от Националния институт по стандартизация и технологии (NIST) на Съединени американски щати показа тъкмо такова устройство. То не е просто следващото усъвършенстване на остарялата технология. Всъщност това е преосмисляне на самия метод към електрическите измервания, което може да повлияе на всичко – от производството на микрочипове до здравната диагностика.

Защо въобще се нуждаем от сходна акуратност?

На пръв взор може да наподобява, че съществуващата акуратност на премерване е изцяло задоволителна. Защо е належащо да гоним спомагателни нули след десетичната запетая? Отговорът се крие в думата „ стандарт “. Цялата ни софтуерна цивилизация е построена върху единни, неизменими стандарти. Килограмът би трябвало да е кг както в Париж, по този начин и в Токио. Една секунда би трябвало да трае еднообразно дълго на всички места. Същото важи и за волта, ампера и ома.

Когато инженерите проектират процесори с нанометрови транзистори или лекарите настройват апаратите за ядрено-магнитен резонанс, най-малкото отклоняване от стандарта може да докара до повреди или неправилна диагноза. Досега за калибриране на свръхпрецизното съоръжение трябваше да се основават комплицирани, обемисти и скъпи съоръжения – по една за всяка стойност. Новият инструмент предлага елегантно решение „ три в едно “, което освен опростява процеса, само че и фрапантно понижава вероятността от неточност. Преминаваме от комплицирана система от голям брой „ референтни линийки “ към един повсеместен швейцарски квантов акуратен нож.

Сърцето на машината: два квантови гения в една кутия

Как са съумели да реализират това? Учените са сложили две невероятни квантови устройства в един криостат – специфичен „ ледник “, който поддържа свръхниски температури.

Програмируем стандарт за напрежение на резултата на Джоузефсън (PJVS). Казано по-просто, това е най-хубавият генератор на напрежение. Въз основа на едно напълно квантово събитие (т.нар. резултат на Джоузефсън), той е в положение да доставя напрежение на съвършено калибрирани, дискретни „ порции “. Това не е аналогов регулатор, а самобитна цифрова линийка за волтовете, при която всяко разделяне е подбудено от фундаменталните константи на Вселената. Тук е на практика невероятно да се допусне неточност. Квантов аномален резистор на Хол (QAHR). Това е неговият съвършен сътрудник за премерване на противодействие. Конвенционалният резултат на Хол (възникването на напречно електрическо поле в проводник под въздействието на магнитно поле) от дълго време се употребява в датчиците. Но неговата квантова версия ни дава опция да получим стойност на съпротивлението, която също е обвързана с фундаменталните константи. Тя е постоянна и не зависи от дефектите на материала или от температурата.

Заедно тези два съставния елемент образуват съвършената двойка. Знаейки еталонното напрежение от PJVS и еталонното противодействие от QAHR, може да се употребява законът на Ом (I = V/R), с цел да се пресметна силата на тока със същата невероятна акуратност. Просто и гениално.

Непростото съседство: по какъв начин да помирим квантовите противоположности

Разбира се, на хартия всичко наподобява безпрепятствено. Но в реалност учените се сблъскаха със сериозен проблем. Класическият квантов резистор на Хол изисква необикновено мощно външно магнитно поле, с цел да работи. Ефектът на Джоузефсън, в противен случай, е извънредно сензитивен към всевъзможни магнитни полета – те просто унищожават нежното му квантово положение. Това е все едно да се опитваш да правиш неврохирургия до работещ адронен колайдер.

И в това се състои огромният пробив. Екипът употребява резистор, основан на аномалния квантов резултат на Хол. Благодарение на специфичен топологичен материал той не се нуждае от външно магнитно поле! Условията, нужни за резултата, се основават от вътрешната конструкция на самия материал. Това разрешава на две квантови системи да съжителстват спокойно в един общ криостат, без да си пречат една на друга. Учените са съумели да намерят елегантно решение, което единствено допреди няколко години изглеждаше невероятно.

Какво следва? От лабораторията до фабриката

Засега това устройство е в областта на водещите метрологични институти и лаборатории. Но появяването му е знаково събитие. Първо, то слага нов стандарт за акуратност, към който ще се стреми цялата високотехнологична промишленост. Производителите на електроника, здравно съоръжение и научни принадлежности ще разполагат с по-надежден инструмент за калибриране на своите артикули.

Второ, както вярно означават самите създатели, този теоретичен труд е мощен тласък за развиването на обвързваните с него области. Тя ще насърчи материаловедите да търсят нови топологични материали, а инженерите – да основават по-добри и по-компактни криостати.

Може би след десетилетия компактните версии на сходни квантови „ мултиметри “ ще се трансфорат в нормални принадлежности в лабораториите и индустриалните предприятия. Но през днешния ден станахме очевидци на появяването на технология, която извежда връзката ни с електричеството на кардинално ново равнище – равнище, при което точността на измерванията е обезпечена от самите закони на квантовата механика. И това е, без пресилване, една дребна гражданска война.