Wissenschaftler haben ein neuartiges Quantengerät entwickelt, das die drei fundamentalen Einheiten der Elektrizität – Ampere, Volt und Ohm – mit bisher unerreichter Präzision messen kann. Diese Innovation verspricht, elektrische Messungen zu vereinfachen, die Genauigkeit zu steigern und menschliche Fehlerquellen zu minimieren.
Das Herzstück des Geräts ist die Integration eines Quantenanomalen Hall-Resistors (QAHR) und eines programmierbaren Josephson-Spannungsstandards (PJVS) in einem einzigen Kryostaten. Diese Konfiguration schafft die notwendige Tieftemperaturumgebung für den Betrieb beider Komponenten. Eine besondere Herausforderung war die Vereinigung dieser beiden Systeme, die üblicherweise unterschiedliche Betriebsbedingungen erfordern. Dies wurde durch die Verwendung eines neuartigen Materials gelöst, das seine quantenmechanischen Funktionen ohne die Notwendigkeit eines externen Magnetfelds entfaltet.
Diese Entwicklung stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenmetrologie dar, einem Feld, das darauf abzielt, durch die Nutzung von Quantenphänomenen wie Superposition und Verschränkung höchste Messpräzisionen zu erzielen. Das integrierte Gerät nutzt diese Prinzipien, um Spannungen im Bereich von 0,24 Millivolt bis 6,5 Millivolt mit minimalen Fehlern zu messen. Ebenso liefert es äußerst präzise Messungen von Widerstand und elektrischem Strom. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlicht.
Die Technologie wird voraussichtlich von führenden Laboren und nationalen Messeeinrichtungen übernommen werden, was zu genaueren und verlässlicheren Daten in zahlreichen wissenschaftlichen und technischen Bereichen führen könnte. Die Präzision in der Messtechnik ist entscheidend für den wissenschaftlichen Fortschritt, da sie die Verifizierung von Hypothesen und Theorien ermöglicht und die Reproduzierbarkeit von Experimenten sicherstellt. Die Forscher erwarten, dass dieser Schritt hin zu einem multifunktionalen Quanteninstrument weitere Innovationen in topologischen Materialsystemen und Kryostatdesigns anregen wird.
Die Entwicklung solcher Geräte ist Teil eines breiteren Trends in der Quantenmetrologie, die darauf abzielt, die Grenzen klassischer Messmethoden zu überwinden und neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Entdeckungen zu eröffnen. Die Fähigkeit, grundlegende elektrische Einheiten mit einer einzigen, hochpräzisen Vorrichtung zu messen, unterstreicht das transformative Potenzial der Quantentechnologie für die Grundlagenforschung und industrielle Anwendungen gleichermaßen.