Một nhóm các nhà khoa học đã công bố phát triển thành công một thiết bị lượng tử tích hợp, có khả năng đo chính xác ba đơn vị điện cơ bản: ampe, volt và ohm. Bước đột phá này hứa hẹn cách mạng hóa các phép đo điện bằng cách đơn giản hóa quy trình, nâng cao độ chính xác và giảm thiểu sai sót do con người.
Thiết bị này kết hợp một điện trở Hall dị thường lượng tử (QAHR) và một tiêu chuẩn điện áp Josephson có thể lập trình (PJVS) trong cùng một hệ thống làm lạnh. Việc tích hợp hai hệ thống này, vốn thường yêu cầu các điều kiện hoạt động khác nhau, đã được thực hiện nhờ sử dụng một vật liệu mới thể hiện các chức năng lượng tử mà không cần từ trường ngoài. Các nghiên cứu khác cũng đang khám phá các vật liệu tương tự, như graphene cấu hình rhombohedral, cho thấy các đặc tính điện tử đặc biệt ở nhiệt độ cực thấp, có khả năng ứng dụng trong siêu dẫn.
Hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ học lượng tử, thiết bị tích hợp có khả năng đo điện áp từ 0,24 millivolt đến 6,5 millivolt với sai số tối thiểu, cùng với các phép đo điện trở và dòng điện cực kỳ chính xác. Công nghệ này dự kiến sẽ được các phòng thí nghiệm hàng đầu và các viện đo lường quốc gia áp dụng, hứa hẹn mang lại dữ liệu chính xác và đáng tin cậy hơn trên nhiều lĩnh vực.
Lĩnh vực đo lường điện lượng tử đang cách mạng hóa các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ cho điều hướng nâng cao và chăm sóc sức khỏe cho chẩn đoán chính xác hơn. Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng bước tiến này hướng tới một thiết bị lượng tử đa chức năng sẽ thúc đẩy sự đổi mới hơn nữa trong các hệ thống vật liệu tôpô và thiết kế hệ thống làm lạnh. Sự phát triển này phù hợp với xu hướng rộng lớn hơn trong đo lường điện lượng tử, nhằm hiện thực hóa các đơn vị điện SI thông qua các hiện tượng lượng tử, một khía cạnh quan trọng trong việc định nghĩa lại Hệ thống đơn vị quốc tế (SI) dựa trên các hằng số cơ bản.
Ví dụ, Viện Đo lường Quốc gia (NPL) ở Vương quốc Anh đang phát triển các thiết bị nano để tạo ra dòng điện chính xác bằng cách di chuyển từng electron một và sử dụng các mảng Josephson cho các tiêu chuẩn điện áp. Việc tạo ra một thiết bị lượng tử tích hợp như vậy có ý nghĩa kinh tế quan trọng, vì thị trường thiết bị đo lường điện, mặc dù là một thị trường ngách, nhưng lại vô giá. Nó cung cấp các thiết bị chuyên dụng được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế, có tác động đáng kể đến đảm bảo chất lượng và giảm lãng phí. Các ngành công nghiệp chiến lược như hàng không, vũ trụ và quốc phòng, nơi sai số đo lường nhỏ nhất cũng có thể gây tốn kém hàng triệu đô la hoặc gây hại nghiêm trọng, sẽ được hưởng lợi từ độ chính xác được nâng cao này.
Mặc dù việc phát triển các công nghệ lượng tử đặt ra những thách thức, bao gồm nhu cầu cải thiện độ bền, thu nhỏ và giảm chi phí, thiết bị tích hợp này đánh dấu một bước tiến quan trọng. Nó minh họa tiềm năng của cơ học lượng tử trong việc xác định lại độ chính xác trong đo lường, mở đường cho việc đặc trưng hóa điện chính xác, đáng tin cậy và hiệu quả hơn trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghiệp.