[论文解读] A unified realization of electrical quantities from the quantum International System of Units

Linsey K. Rodenbach, Jason Underwood+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种零场量子电流传感器（QCS），通过在单个杜瓦瓶内集成量子反常霍尔电阻器（QAH）与可编程约瑟夫森电压标准（PJVS），实现了安培的量子化定义，在252 nA电流下达到3.91 × 10⁻⁶ A/A的相对合成不确定度，并通过与传统欧姆定律基准的对比验证了其准确性，在约83.9 nA处实现1.46 × 10⁻⁶ A/A的一致性。

ABSTRACT

In the revised International System of Units (SI), the ohm and the volt are realized from the von Klitzing constant and the Josephson constant, and a practical realization of the ampere is possible by applying Ohm's law directly to the quantum Hall and Josephson effects. As a result, it is possible to create an instrument capable of realizing all three primary electrical units, but the development of such a system remains challenging. Here we report a unified realization of the volt, ohm, and ampere by integrating a quantum anomalous Hall resistor (QAHR) and a programmable Josephson voltage standard (PJVS) in a single cryostat. Our system has a quantum voltage output that ranges from 0.24 mV to 6.5 mV with combined relative uncertainties down to 3 $μ$V/V. The QAHR provides a realization of the ohm at zero magnetic field with uncertainties near 1 $μΩ$/$Ω$. We use the QAHR to convert a longitudinal current to a quantized Hall voltage and then directly compare that against the PJVS to realize the ampere. We determine currents in the range of 9.33 nA to 252 nA, and our lowest uncertainty is 4.3 $μ$A/A at 83.9 nA. For other current values, a systematic error that ranges from -10 $μ$A/A to -30 $μ$A/A is present due to the imperfect isolation of the PJVS microwave bias.

研究动机与目标

• 为实现9.33 nA至252 nA范围内的实用化、可追溯的安培定义，填补现有量子标准在此关键区间的空白。
• 克服传统基于欧姆定律的电流基准因校准链路过长而导致的高不确定度问题。
• 通过使用在零磁场下具有量子化霍尔电阻的量子反常霍尔（QAH）电阻器，消除量子电流测量中对外部磁场的需求。
• 将可编程约瑟夫森电压标准（PJVS）与QAH电阻器集成于单个杜瓦瓶内，降低系统复杂性并提升稳定性。
• 通过将QCS测量结果与基于传统欧姆定律的测量进行对比，验证其准确性，确立其对基本常数的可追溯性。

提出的方法

• 在单个杜瓦瓶内直接将量子反常霍尔（QAH）电阻器（在零磁场下表现出量子化霍尔电阻Ryx = h/e²）与可编程约瑟夫森电压标准（PJVS）耦合。
• 利用PJVS在QAH器件两端产生精确已知的电压，通过欧姆定律I = V / R实现电流的直接测量。
• 采用低温电流比较器（CCC）通过与已校准的100 Ω标准电阻比较，高精度测量QAH器件的电阻。
• 使用超导量子干涉器件（SQUID）检测CCC电桥中的零电压差，以最小化噪声与漂移。
• 应用重叠阿伦方差分析方法评估零电压测量随时间的稳定性，识别主要噪声源（如1/f噪声与白噪声）。
• 在直接模式测量中，采用自定义连接器并集成旁路电容，有效抑制PJVS产生的差模噪声，同时在QAH量子化过程中保持超导耦合。

Figure 1: Depiction of a current measurement using the QCS. Left: Simplified schematic for the zero-field quantum current sensor. The current source $I$ and the nanovoltmeter are external to the cryostat and at room temperature. To provide consistency between different types of measurements, all cur

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单个杜瓦瓶内，利用QAH电阻器与PJVS实现在零磁场下的量子电流传感器？
• RQ2 采用这种集成量子方法，在9.33 nA至252 nA范围内可实现的电流测量不确定度水平如何？
• RQ3 QCS的测量精度与基于二次标准的常规欧姆定律测量相比如何？
• RQ4 测量链路中的主要不确定度来源是什么？如何量化并加以最小化？
• RQ5 能否对零电压测量的稳定性进行表征，以确保长时间内获得可靠且可重复的电流读数？

主要发现

• 在252 nA电流下，QCS实现了3.91 × 10⁻⁶ A/A的相对合成不确定度，其中A类不确定度为2.30 × 10⁻⁶ A/A，显著优于传统nA电流基准。
• 在最低电流9.33 nA时，总相对不确定度上升至41.2 × 10⁻⁶ A/A，但仍表明在亚nA范围内实现量子化定义的可行性。
• 在83.9 nA电流下，QCS与传统欧姆定律测量结果的一致性最佳，为(1.46 ± 4.28) × 10⁻⁶ A/A，该点测量次数最多。
• 不确定度预算分析表明，标准电阻（3 nΩ/Ω，k=1）、CCC绕组比误差（约10⁻¹⁰量级）以及SQUID整流噪声是主要贡献因素。
• 阿伦偏差分析证实了测量的稳定性，噪声行为与白噪声和1/f噪声一致，重叠阿伦方差方法显著提升了统计置信度。
• 采用带旁路电容的自定义连接器有效抑制了直接测量过程中PJVS产生的差模噪声，实现了稳定运行。

Figure 2: QCS operation and contextualization. (a) Relative agreement of $I_{\mathrm{direct}}$ and $I_{\mathrm{indirect}}$ : $\left(I_{\mathrm{direct}}–I_{\mathrm{indirect}}\right)/I_{\mathrm{indirect}}$ . Agreement shown is the mean of multiple measurements. Shaded area shows the combined Type A un