Det väsande ljudet du hör i bakgrunden när du höjer volymen på din musikspelare kallas "brus". Det mesta av detta väsande beror på den termiska rörelsen hos elektroner i musikspelarkretsarna. Precis som molekyler i en het gas, elektroner i kretsarna jiggar ständigt på ett slumpmässigt sätt, och denna rörelse ger upphov till en oönskad brussignal.

Men det finns en annan typ av brus som bara spelar in när vi har en elektrisk ström som flödar. Detta buller kallas skottljud. Hinder som genererar skottljud på detta sätt finns i många elektroniska komponenter, såsom dioder och några transistorer, och elektroniska ingenjörer gör stora ansträngningar för att försöka bli av med effekterna av alla bullerkällor, inklusive skottljud, i deras design.

Nu har en ny studie visat att skottbrus kan elimineras vid dess mikroskopiska ursprung. Och för att göra det, de har lånat en idé från en osannolik källa - ångmaskinens tidiga dagar.

Quantum weirdness

Skottbrus har sitt ursprung i det faktum att elektrisk ström består av en ström av enskilda partiklar - elektroner - och att beteendet hos dessa partiklar styrs av kvantmekanikens konstiga lagar.

När en elektron stöter på ett hinder som du tror skulle blockera dess väg, kvantmekanik erbjuder möjligheten att det kan passera det obehindrat. Detta kallas kvanttunnel, och det gör det till synes omöjliga möjligt. Det viktiga med kvanttunnel är att det är en slumpmässig process - kvantmekanik kan berätta för oss med vilken sannolikhet en elektron kan tunnelera, men det kan inte berätta om någon särskild elektron kommer att tunnla eller inte.

Således, om en ström av elektroner träffar ett hinder, vissa kommer att tunnla och andra inte, och detta händer på ett helt slumpmässigt sätt. Om vi ​​kunde lyssna på ankomsten av en ström av elektroner som tunnlar på detta sätt, det skulle låta ungefär som en slumpmässig släng av regndroppar på ett plant tak. Det är denna slumpmässighet, jämfört med det regementerade dropp-dropp-droppet av en kran, som gör skottljud.

På 1700 -talet, James Watt kämpade för att få sin ångmotor att köra i konstant hastighet. För att lösa det här problemet, han kom med "centrifugalguvernören" 1788, en utrustning som bestod av två metallkulor som roterade på en vertikal spindel som drivs av ångmotorn. Om motorn gick för fort, bollarna skulle röra sig uppåt under centrifugalkraften (en kraft som verkar på en kropp som rör sig i en cirkulär bana riktas bort från mitten runt vilken kroppen rör sig).

Denna rörelse kopplades till en ventil som sedan reducerade ångflödet genom motorn, saktar ner det. Omvänt, om motorn gick för långsamt, bollarna skulle släppa, ventilerna öppnades och motorn gick snabbare. På det här sättet, Watt kunde stabilisera motorns effekt kring ett konstant varvtal. Därmed hade han kommit med ett tidigt exempel på vad vi nu skulle kalla feedbackkontroll.

James Watt till undsättning

Det nya experimentet fokuserar på en ultraliten elektronik som kallas enelektron-transistorn, som en dag kan ligga till grund för extremt effektiva, miniatyrelektronik. Dessa enkel-elektron transistorer är ungefär som vanliga transistorer, som växlar elektroniska signaler, men tas till den yttersta gränsen för miniatyrisering så att elektroner rör sig genom dem en i taget. Detta sker via kvanttunnel, vilket innebär att strömmen genom en en-elektron-transistor lider av slumpmässigheten hos skottbrus.

Med känsliga laddningsmätningar, forskarna kunde upptäcka exakt när en elektron hade tunnlar genom transistorn. Baserat på denna elektronräkning, de justerade sedan transistorns spänningar, efter Watts recept för centrifugalguvernören:om fler elektroner än normalt hade tunnlar, de ändrade spänningarna för att minska flödet; om färre hade tunnelerat, spänningarna ändrades för att öka flödet.

På det här sättet, de kunde visa det, efter att en viss tid hade gått, det totala antalet elektroner som har tunnelerats genom enheten kan kontrolleras exakt, Resultaten är nästan helt fria från slumpmässigheten i den bullriga tunnelprocessen.

Tekniken kanske inte kommer in i din konsumentelektronik snart. Undersökningen utfördes vid låg temperatur på en enda enhet så vi skulle först behöva få det att fungera vid rumstemperatur och skala upp funktionen. Ändå, det representerar ett viktigt genombrott, eftersom den rapporterar den första tillämpningen av återkopplingskontroll i elektronik som verkar på nivån för den enskilda elektronen.

Resultaten är särskilt viktiga för utvecklingen av framtida kvantteknologi, som strävar efter att utnyttja kvantfysikens särdrag för att skapa enheter som överstiger vårt bästa bäst. Sådana maskiner kan vara ett stort lyft inom områden som säker kommunikation, kodbrytning, precisionsmätning och kvantitativ analys av "big data". Kvantteknik kräver emellertid en utsökt grad av kontroll och, som denna forskning visar, beprövade återkopplingstekniker med sina rötter i ångåldern kan fortfarande ha en viktig roll att spela.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.