Het manipuleren van individuele elektronen met als doel kwantumeffecten toe te passen, biedt nieuwe mogelijkheden en grotere precisie in de elektronica. Echter, deze circuits met één elektron worden beheerst door de wetten van de kwantummechanica, wat betekent dat afwijkingen van een foutloze werking nog steeds voorkomen, zij het (in het best mogelijke scenario) slechts zeer zelden. Dus, inzicht in zowel de fysieke oorsprong als de metrologische aspecten van deze fundamentele onzekerheid zijn cruciaal voor de verdere ontwikkeling van kwantumschakelingen. Hiertoe, wetenschappers van PTB en de Universiteit van Letland hebben samengewerkt om een ​​statistische testmethode te ontwikkelen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Circuits met één elektron worden al gebruikt als kwantumstandaarden voor elektrische stroom en in prototypes van kwantumcomputers. In deze geminiaturiseerde kwantumcircuits, interacties en ruis belemmeren het onderzoek naar de fundamentele onzekerheden en het meten ervan is een uitdaging, zelfs voor de metrologische precisie van het meetapparaat.

Op het gebied van kwantumcomputers er wordt vaak een testprocedure gebruikt die ook wel een "benchmark" wordt genoemd, waarbij het werkingsprincipe en de betrouwbaarheid van het hele circuit worden geëvalueerd via de accumulatie van fouten na een reeks bewerkingen. Op basis van dit principe, onderzoekers van PTB en de Universiteit van Letland hebben nu een benchmark ontwikkeld voor circuits met één elektron. Hier, de getrouwheid van de schakeling wordt beschreven door de willekeurige stappen van een foutsignaal dat wordt geregistreerd door een geïntegreerde sensor terwijl de schakeling herhaaldelijk een bewerking uitvoert. De statistische analyse van deze "willekeurige wandeling" kan worden gebruikt om de zeldzame maar onvermijdelijke fouten te identificeren wanneer individuele kwantumdeeltjes worden gemanipuleerd.

Door middel van deze "random-walk benchmark" de overdracht van individuele elektronen is onderzocht in een circuit bestaande uit enkelvoudige elektronenpompen die bij PTB zijn ontwikkeld als primaire standaarden voor het realiseren van de ampère, een SI-basiseenheid. In dit experiment, gevoelige detectoren registreren het foutsignaal met een resolutie van één elektron. De statistische analyse die mogelijk wordt gemaakt door individuele deeltjes te tellen, toont niet alleen fundamentele beperkingen van de betrouwbaarheid van het circuit, veroorzaakt door externe ruis en temporele correlaties, maar biedt ook een robuuste maatstaf voor het beoordelen van fouten in toegepaste kwantummetrologie.

De methodologie die in het kader van dit werk is ontwikkeld, biedt een rigoureuze wiskundige basis voor het valideren van kwantumstandaarden van elektrische grootheden en opent nieuwe wegen voor de ontwikkeling van geïntegreerde complexe kwantumsystemen.