Разработан единый квантовый эталон вольта, ампера и ома
Отныне одно квантовое устройство может определить три главные единицы, которыми мы измеряем электричество — вольт, ампер и ом.
С 2019 года ушли в прошлое традиционные эталоны. Основные единицы системы СИ привязали к фундаментальным физическим константам, на которых зиждется мироздание — скорости света, постоянной Планка, заряду электрона и т. п.
Для определения электрических в обновленной СИ использовалось два квантовых устройства, и для «снятия мерок» требовались дорогие и сложные процедуры, порой в двух разных лабораториях. Американские физики сумели наконец объединить эти квантовые эталоны в один прибор, о чем подробно рассказали в журнале Nature Electronics.
«Идея объединения двух квантовых стандартов всегда была чем-то вроде святого Грааля. К этому мы долго шли — можно сказать, катили камень в гору, как Сизиф», — признался Джейсон Андервуд из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде.
Объединение устройств оказалось задачей непростой из-за чрезвычайной хрупкости квантовых явлений, которые можно наблюдать только при очень низких температурах — настолько низких, что для этого нужны специальные холодильники (криостаты). Кроме того, одно из них требует магнитного поля, которое нарушает работу другого.
Новый метод «все в одном» решает эту проблему за счет использования нового материала, способного выполнять свои квантовые «трюки» без магнитного поля. Таким образом, две квантовые системы, которые раньше приходилось держать отдельно, теперь могут работать в одном криостате. Команда использовала это устройство для определения ампер, омов и вольт с погрешностью всего в несколько миллионных долей каждой единицы.
Эта впечатляющая точность все равно недостаточна, и для ее повышения надо решить проблему взаимного нагрева двух систем и их электрических цепей. Кроме того, продолжается работа по совершенствованию все еще «незрелого» квантового материала, который позволяет двум системам функционировать вместе, добавила Линдси Роденбах из Стэнфордского университета в Калифорнии.
В общем, есть над чем работать, хотя продолжение экспериментов упирается в сложности с финансированием, пожаловался Андервуд. Тем не менее жизнеспособность концепции доказана — и это главное.
Сусмит Кумар из Норвежской метрологической службы прямо называет новое устройство «впечатляющим инженерным достижением», которое может сделать квантовые электрические стандарты более экономичными и доступными для ученых и разработчиков технологий по всему миру.
«Международная система единиц — это общий язык, который используют все ученые и инженеры. Вы хотите сделать его как можно более полезным», — подчеркнул Ричард Дэвис, вышедший на пенсию из Международного бюро мер и весов.
По его словам, усилия по объединению различных устройств, используемых в настоящее время, несомненно ускорятся в будущем.