Manipular elétrons individuais com o objetivo de empregar efeitos quânticos oferece novas possibilidades e maior precisão na eletrônica. Contudo, esses circuitos de um elétron são governados pelas leis da mecânica quântica, o que significa que desvios da operação livre de erros ainda ocorrem - embora (no melhor cenário possível) apenas muito raramente. Assim, insights sobre a origem física e os aspectos metrológicos dessa incerteza fundamental são cruciais para o desenvolvimento posterior dos circuitos quânticos. Para este fim, cientistas do PTB e da Universidade da Letônia colaboraram para desenvolver uma metodologia de teste estatístico. Seus resultados foram publicados na revista Nature Communications .

Os circuitos de um elétron já são usados ​​como padrões quânticos de corrente elétrica e em protótipos de computadores quânticos. Nestes circuitos quânticos miniaturizados, interações e ruídos impedem a investigação das incertezas fundamentais e medi-las é um desafio, mesmo para a precisão metrológica do aparelho de medição.

No campo dos computadores quânticos, um procedimento de teste também conhecido como "benchmark" é freqüentemente usado, no qual o princípio de operação e a fidelidade de todo o circuito são avaliados por meio do acúmulo de erros após uma sequência de operações. Com base neste princípio, pesquisadores do PTB e da Universidade da Letônia desenvolveram agora uma referência para circuitos de elétron único. Aqui, a fidelidade do circuito é descrita pelas etapas aleatórias de um sinal de erro registrado por um sensor integrado enquanto o circuito executa repetidamente uma operação. A análise estatística deste "passeio aleatório" pode ser usada para identificar os erros raros, mas inevitáveis, quando partículas quânticas individuais são manipuladas.

Por meio deste "benchmark de passeio aleatório", a transferência de elétrons individuais foi investigada em um circuito que consiste em bombas de um elétron desenvolvidas no PTB como padrões primários para a realização do ampere, uma unidade de base SI. Neste experimento, detectores sensíveis registram o sinal de erro com resolução de elétron único. A análise estatística possibilitada pela contagem de partículas individuais não só mostra as limitações fundamentais da fidelidade do circuito induzida por ruído externo e correlações temporais, mas também fornece uma medida robusta de avaliação de erros na metrologia quântica aplicada.

A metodologia desenvolvida no âmbito deste trabalho fornece uma base matemática rigorosa para a validação de padrões quânticos de grandezas elétricas e abre novos caminhos para o desenvolvimento de sistemas quânticos complexos integrados.