Единое квантовое устройство измеряет амперы, вольты и омы — прорыв в метрологии

Иллюстрация измерения тока с помощью унифицированной системы. Автор: Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01421-2

Группа учёных продемонстрировала, как одно квантовое устройство может точно измерять три фундаментальные единицы электричества — ампер (единица силы тока), вольт (единица электрического потенциала) и ом (единица электрического сопротивления). Это значительный прорыв, поскольку до сих пор ни один прибор не мог измерять все три основные электрические единицы в одной практической системе. Это означает, что проведение электрических измерений может стать более точным и снизить вероятность человеческой ошибки.

Джейсон Андервуд из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде и его коллеги показали, как такое устройство возможно, интегрировав две ключевые квантовые системы в один криостат. А именно: специальный тип резистора, называемый квантовым аномальным холловским резистором (QAHR), и программируемый джозефсоновский стандарт напряжения (PJVS). Криостат обеспечивает необходимую низкотемпературную среду для эффективной работы обоих.

Преодоление трудностей

Объединение двух квантовых систем в одно устройство было сложной задачей, поскольку они полагаются на хрупкие квантовые явления, которые можно наблюдать только при низких температурах. Кроме того, одно из устройств требует для работы сильного магнитного поля, которое мешает работе другого. Однако учёным удалось преодолеть эти трудности, используя новый материал, способный выполнять свои квантовые функции без необходимости в магнитном поле. Таким образом, две квантовые системы были успешно интегрированы в одно устройство.

Новое интегрированное квантовое устройство работает на принципах квантовой механики, которые гораздо точнее классических методов. Используя эту новую технологию, исследователи измерили напряжения от 0,24 милливольт до 6,5 милливольт с очень малой погрешностью. Они также провели чрезвычайно точные измерения сопротивления и электрического тока.

Будущее применение

В конечном итоге, исследование, опубликованное в журнале Nature Electronics, упрощает процесс проведения высокоточных электрических измерений и может привести к новым способам определения электрических стандартов. Эта технология может использоваться в ведущих лабораториях и национальных метрологических институтах для выполнения чрезвычайно точных электрических измерений. Это может означать получение более точных и надежных данных в различных областях, включая производство электронных устройств, научные исследования и медицинскую диагностику.

Учёные, проводившие исследование, также видят более широкое влияние такого устройства, например, стимулирование новых разработок в материаловедении. Как они написали в своей статье: «Мы надеемся, что эти первоначальные усилия по созданию многофункционального квантового инструмента будут стимулировать инновации в области топологических материальных систем, а также в проектировании и разработке криостатов».

Статья «News & Views» о исследовании также была опубликована в Nature Electronics.

Больше информации: Linsey K. Rodenbach et al, A unified realization of electrical quantities from the quantum International System of Units, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01421-2
Stephen P. Giblin, Simplifying primary electrical standards, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01423-0