Att manipulera enskilda elektroner med målet att använda kvanteffekter erbjuder nya möjligheter och större precision inom elektronik. Dock, dessa enelektronkretsar styrs av kvantmekanikens lagar, vilket innebär att avvikelser från felfri drift fortfarande förekommer – om än (i bästa möjliga scenario) endast mycket sällan. Således, insikter i både det fysiska ursprunget och de metrologiska aspekterna av denna grundläggande osäkerhet är avgörande för den fortsatta utvecklingen av kvantkretsar. För detta ändamål, forskare från PTB och Lettlands universitet har samarbetat för att utveckla en statistisk testmetod. Deras resultat har publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

Enkelelektronkretsar används redan som elektriska strömkvantstandarder och i kvantdatorprototyper. I dessa miniatyriserade kvantkretsar, interaktioner och buller hindrar undersökningen av de grundläggande osäkerheterna och att mäta dem är en utmaning, även för mätapparatens metrologiska precision.

När det gäller kvantdatorer, en testprocedur även kallad ett "riktmärke" används ofta där funktionsprincipen och tillförlitligheten för hela kretsen utvärderas via ackumulering av fel efter en sekvens av operationer. Baserat på denna princip, forskare från PTB och Lettlands universitet har nu utvecklat ett riktmärke för enelektronkretsar. Här, kretsens trohet beskrivs av de slumpmässiga stegen i en felsignal som registreras av en integrerad sensor medan kretsen upprepade gånger utför en operation. Den statistiska analysen av denna "slumpmässiga promenad" kan användas för att identifiera de sällsynta men oundvikliga felen när individuella kvantpartiklar manipuleras.

Med hjälp av detta "random-walk benchmark", överföringen av enskilda elektroner undersöktes i en krets bestående av enelektronpumpar som utvecklats vid PTB som primära standarder för att förverkliga ampere, en SI-basenhet. I detta experiment, känsliga detektorer registrerar felsignalen med enkelelektronupplösning. Den statistiska analys som möjliggjorts genom att räkna enskilda partiklar visar inte bara grundläggande begränsningar av kretsens trohet inducerad av externt brus och tidsmässiga korrelationer utan ger också ett robust mått på att bedöma fel i tillämpad kvantmetrologi.

Den metod som utvecklats inom ramen för detta arbete ger en rigorös matematisk grund för att validera kvantstandarder för elektriska storheter och öppnar nya vägar för utveckling av integrerade komplexa kvantsystem.