La manipolazione di singoli elettroni con l'obiettivo di utilizzare effetti quantistici offre nuove possibilità e una maggiore precisione nell'elettronica. Però, questi circuiti a singolo elettrone sono governati dalle leggi della meccanica quantistica, il che significa che si verificano ancora deviazioni dal funzionamento privo di errori, anche se (nel miglior scenario possibile) solo molto raramente. Così, le intuizioni sia sull'origine fisica che sugli aspetti metrologici di questa incertezza fondamentale sono cruciali per l'ulteriore sviluppo dei circuiti quantistici. A tal fine, scienziati del PTB e dell'Università della Lettonia hanno collaborato per sviluppare una metodologia di test statistici. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I circuiti a singolo elettrone sono già utilizzati come standard quantistici per la corrente elettrica e nei prototipi di computer quantistici. In questi circuiti quantistici miniaturizzati, le interazioni e il rumore impediscono l'indagine delle incertezze fondamentali e misurarle è una sfida, anche per la precisione metrologica dell'apparato di misura.

Nel campo dei computer quantistici, è frequente l'utilizzo di una procedura di collaudo denominata anche "benchmark" in cui il principio di funzionamento e la fedeltà dell'intero circuito vengono valutati mediante l'accumulo di errori a seguito di una sequenza di operazioni. Sulla base di questo principio, i ricercatori del PTB e dell'Università della Lettonia hanno ora sviluppato un punto di riferimento per i circuiti a singolo elettrone. Qui, la fedeltà del circuito è descritta dai passi casuali di un segnale di errore registrato da un sensore integrato mentre il circuito esegue ripetutamente un'operazione. L'analisi statistica di questa "camminata casuale" può essere utilizzata per identificare i rari ma inevitabili errori quando vengono manipolate singole particelle quantistiche.

Per mezzo di questo "benchmark di camminata casuale", il trasferimento dei singoli elettroni è stato studiato in un circuito costituito da pompe monoelettrone sviluppate al PTB come standard primari per realizzare l'ampere, un'unità base SI. In questo esperimento, rivelatori sensibili registrano il segnale di errore con risoluzione a singolo elettrone. L'analisi statistica resa possibile dal conteggio delle singole particelle non solo mostra i limiti fondamentali della fedeltà del circuito indotta dal rumore esterno e dalle correlazioni temporali, ma fornisce anche una misura robusta per valutare gli errori nella metrologia quantistica applicata.

La metodologia sviluppata nell'ambito di questo lavoro fornisce una rigorosa base matematica per la convalida degli standard quantistici delle quantità elettriche e apre nuove strade per lo sviluppo di sistemi quantistici complessi integrati.