Het sissende geluid dat u op de achtergrond hoort wanneer u het volume van uw muziekspeler hoger zet, wordt "ruis" genoemd. Het meeste van dit gesis is te wijten aan de thermische beweging van elektronen in het circuit van de muziekspeler. Net als moleculen in een heet gas, elektronen in het circuit wiebelen constant op een willekeurige manier, en deze beweging geeft aanleiding tot een ongewenst ruissignaal.

Maar er is nog een ander soort geluid dat alleen in het spel komt als er een elektrische stroom vloeit. Dit geluid staat bekend als schotgeluid. Obstakels die op deze manier schotgeluid genereren, zijn te vinden in veel elektronische componenten, zoals diodes en sommige transistors, en elektronische ingenieurs doen grote inspanningen om de effecten van alle bronnen van ruis weg te werken, inclusief schotgeluid, in hun ontwerpen.

Nu heeft een nieuwe studie aangetoond dat schotgeluid kan worden geëlimineerd bij zijn microscopische oorsprong. En om dat te doen, ze hebben een idee ontleend aan een onwaarschijnlijke bron - de begindagen van de stoommachine.

Quantum gekheid

Shot noise vindt zijn oorsprong in het feit dat elektrische stroom is samengesteld uit een stroom van individuele deeltjes – elektronen – en dat het gedrag van deze deeltjes wordt bepaald door de vreemde wetten van de kwantummechanica.

Als een elektron een obstakel tegenkomt waarvan je zou denken dat het zijn pad zou blokkeren, kwantummechanica biedt de mogelijkheid dat het er ongehinderd doorheen kan. Dit heet kwantumtunneling, en het maakt het schijnbaar onmogelijke mogelijk. Het belangrijkste van kwantumtunneling is dat het een willekeurig proces is - de kwantummechanica kan ons vertellen met welke waarschijnlijkheid een elektron zou kunnen tunnelen, maar het kan ons niet vertellen of een bepaald elektron zal tunnelen of niet.

Dus, als een stroom elektronen een obstakel raakt, sommigen zullen tunnelen en sommigen niet, en dit gebeurt op een volledig willekeurige manier. Als we zouden kunnen luisteren naar de komst van een stroom elektronen die op deze manier tunnelt, het zou ongeveer klinken als het willekeurige gekletter van regendruppels op een plat dak. Het is deze willekeur, in vergelijking met de gereglementeerde druppel-druppel-druppel van een kraan, dat maakt schotgeluid.

In de 18e eeuw, James Watt worstelde om zijn stoommachine op constante snelheid te laten draaien. Om dit probleem op te lossen, hij bedacht de "centrifugale gouverneur" in 1788, een apparaat dat bestond uit twee metalen kogels die ronddraaiden op een verticale spindel die werd aangedreven door de stoommachine. Als de motor te snel liep, de ballen zouden omhoog bewegen onder de middelpuntvliedende kracht (een kracht die inwerkt op een lichaam dat in een cirkelvormige baan beweegt, wordt weggeleid van het centrum waaromheen het lichaam beweegt).

Deze beweging werd gekoppeld aan een klep die vervolgens de stoomstroom door de motor verminderde, het vertragen. Omgekeerd, als de motor te langzaam liep, de ballen zouden vallen, de kleppen zouden openen en de motor zou versnellen. Op deze manier, Watt was in staat om het vermogen van zijn motor rond een constant toerental te stabiliseren. Daarmee had hij een vroeg voorbeeld bedacht van wat we nu feedbackcontrole zouden noemen.

James Watt te hulp

Het nieuwe experiment richt zich op een ultraklein elektronisch apparaat dat bekend staat als de single-electron transistor, die ooit de basis kunnen vormen van uiterst efficiënte, miniatuur elektronica. Deze enkel-elektrontransistoren lijken een beetje op gewone transistors, die elektronische signalen schakelen, maar tot de uiterste grens van miniaturisatie gebracht, zodat elektronen er één voor één doorheen bewegen. Dit gebeurt via kwantumtunneling, wat betekent dat de stroom door een enkele-elektrontransistor lijdt aan de willekeur van schotruis.

Met behulp van gevoelige ladingsmetingen, de onderzoekers konden precies detecteren wanneer een elektron door de transistor was getunneld. Op basis van deze elektronentelling, ze hebben vervolgens de spanningen van de transistor aangepast, volgens Watts recept voor de centrifugaalregelaar:als er meer elektronen dan normaal waren getunneld, ze veranderden de spanningen om de stroom te verminderen; als er minder waren getunneld, de spanningen werden veranderd om de stroom te verhogen.

Op deze manier, dat konden ze laten zien, nadat een bepaalde tijd was verstreken, het totale aantal elektronen dat door het apparaat is getunneld, nauwkeurig kon worden gecontroleerd, waarbij de resultaten bijna volledig vrij zijn van de willekeur van het luidruchtige tunnelingproces.

De techniek zal misschien niet snel in uw consumentenelektronica terechtkomen. Het onderzoek is uitgevoerd bij lage temperatuur op een enkel apparaat, dus we moesten het eerst bij kamertemperatuur laten werken en de functie opschalen. Hoe dan ook, het is een belangrijke doorbraak, omdat het de eerste toepassing van feedbackcontrole in elektronica meldt die op het niveau van het individuele elektron werkt.

De resultaten zijn vooral belangrijk voor de ontwikkeling van toekomstige kwantumtechnologieën, die de eigenaardigheden van de kwantumfysica willen benutten om apparaten te maken die veel beter presteren dan onze huidige beste. Dergelijke machines kunnen een enorme stimulans zijn op het gebied van onder meer veilige communicatie, code-brekend, precisiemeting en kwantitatieve analyse van "big data". Quantumtechnologieën vereisen echter een voortreffelijke mate van controle en, zoals uit dit onderzoek blijkt, beproefde feedbacktechnieken met hun wortels in het stoomtijdperk kunnen nog steeds een belangrijke rol spelen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.