Квантовые стандарты на службе точности: инженеры совершили революцию в метрологии

Сфера метрологии, науки об измерениях, претерпела значительные изменения в последние годы. С 2019 года традиционные эталоны уступили место фундаментальным физическим константам, таким как скорость света, постоянная Планка, заряд электрона и другим, составляющим основу мироздания.

В результате, для определения электрических единиц требовалось применение двух квантовых устройств, что влекло за собой сложные и дорогостоящие процедуры, часто выполняемые в разных лабораториях. Однако, американские физики совершили прорыв, сумев объединить эти квантовые эталоны в один прибор. Об этом достижении подробно рассказано в журнале Nature Electronics.

Святой Грааль метрологии: преодоление трудностей

"Идея объединения двух квантовых стандартов всегда была своего рода святым Граалем. Мы долго шли к этому — можно сказать, катили камень в гору, как Сизиф", — признался Джейсон Андервуд из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде.

Объединение этих устройств оказалось непростой задачей, обусловленной крайней хрупкостью квантовых явлений, которые можно наблюдать только при очень низких температурах. Для поддержания этих температур необходимы специальные холодильники, криостаты. К тому же, одно из устройств требовало магнитного поля, что нарушало работу другого.

Инновационное решение: квантовые стандарты в одном приборе

Новый метод, получивший название "все в одном”, решил эту проблему за счет использования инновационного материала, способного выполнять свои квантовые функции без магнитного поля. Благодаря этому, две квантовые системы, которые ранее требовали раздельного размещения, теперь могут функционировать в одном криостате. Команда ученых успешно применила это устройство для определения ампер, омов и вольт, достигнув погрешности всего в несколько миллионных долей каждой единицы.

Несмотря на впечатляющую точность, есть потенциал для ее дальнейшего улучшения. Для этого предстоит решить проблему взаимного нагрева двух систем и их электрических цепей. Кроме того, продолжается работа над совершенствованием пока еще "незрелого” квантового материала, который позволяет обеим системам функционировать совместно, добавляет Линдси Роденбах из Стэнфордского университета в Калифорнии.

Несмотря на перспективность, дальнейшие эксперименты сталкиваются с трудностями финансирования, как сетует Андервуд. Но, тем не менее, жизнеспособность концепции доказана, что является главным достижением.

Вклад в мировую метрологию: доступность и экономичность

Сусмит Кумар из Норвежской метрологической службы называет новое устройство "впечатляющим инженерным достижением", которое способно 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. Необходимо сделать его как можно более полезным", — подчеркнул Ричард Дэвис, вышедший на пенсию из Международного бюро мер и весов.

По его мнению, усилия по объединению различных устройств, используемых в настоящее время, несомненно, усилятся в будущем.

Три интересных факта о системе СИ:

• Система СИ (Международная система единиц) основана на семи основных единицах измерения: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела.
• В 2019 году произошла революционная реформа системы СИ, в результате которой все основные единицы были переопределены через фундаментальные физические константы.
• Система СИ является наиболее широко используемой системой измерения в мире, охватывая практически все области науки и техники.