電磁量子標(biāo)準(zhǔn)扁平化應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

以量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)構(gòu)建扁平化計(jì)量新體系，已成為當(dāng)前計(jì)量發(fā)展的迫切任務(wù)。在新國(guó)際單位制框架下，電磁量子標(biāo)準(zhǔn)不僅在電磁參量的精準(zhǔn)測(cè)量和零鏈條溯源方面發(fā)揮著重要作用，也在千克量值復(fù)現(xiàn)、精準(zhǔn)測(cè)力（矩）、溫度計(jì)量等交叉領(lǐng)域扮演起愈發(fā)重要的角色。如今，在電磁量子標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)有力的支撐下，構(gòu)建扁平化計(jì)量體系正逐步進(jìn)入發(fā)展“快車道”。

從新國(guó)際單位制和扁平化計(jì)量說起

2018年11月，在法國(guó)凡爾賽召開的第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）上，關(guān)于修訂國(guó)際單位制（SI）的1號(hào)決議獲得全票通過。該決議在2019年5月20日世界計(jì)量日生效，這標(biāo)志著新國(guó)際單位制在全世界范圍內(nèi)正式實(shí)施。在新國(guó)際單位制下，7個(gè)SI基本單位首次均實(shí)現(xiàn)了基于基本物理常數(shù)的定義（見圖1）：時(shí)間單位秒（s）、長(zhǎng)度單位米（m）、質(zhì)量單位千克（kg）、電流單位安培（A）、熱力學(xué)溫度單位開爾文（K）、物質(zhì)的量單位摩爾（mol）和發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉（cd）分別由銫頻率Δv(Cs)、真空中光速c、普朗克常數(shù)h、基本電荷e、玻爾茲曼常數(shù)k、阿伏伽德羅常數(shù)NA和頻率為540×1012赫茲的單色輻射的光視效能Kcd進(jìn)行定義。由此，基礎(chǔ)計(jì)量全面邁入量子新時(shí)代。

相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)物計(jì)量而言，量子計(jì)量的主要優(yōu)勢(shì)在于：由量子標(biāo)準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)的單位量值僅與基本物理常數(shù)相關(guān)，其量值不隨測(cè)量條件（如環(huán)境溫度、濕度、氣壓、海拔等）發(fā)生變化，因而具有極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。以SI基本單位“秒”的定義的量子化演變?yōu)槔?，“秒”最初由地球自轉(zhuǎn)周期定義，但測(cè)量發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)周期正在緩慢增大（約每百年增加1.7毫秒），而將一個(gè)隨時(shí)間發(fā)生變化的參量作為基本單位的定義，顯然無法保證其量值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。1967年，“秒”定義率先完成量子化修訂，即以銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9 192 631 770 個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間來定義1秒。此后的半個(gè)世紀(jì)，不同的原子鐘、粒子鐘、光鐘不斷涌現(xiàn)，時(shí)間和頻率量的測(cè)量準(zhǔn)確性快速飆升（見圖2）。在現(xiàn)行定義下復(fù)現(xiàn)的秒最優(yōu)準(zhǔn)確度可達(dá)1×10-16~2×10-16量級(jí)。由于光學(xué)躍遷更高頻率的優(yōu)勢(shì)，自20世紀(jì)90年代以來，修改秒定義到光學(xué)躍遷上成為了時(shí)間頻率計(jì)量學(xué)的熱點(diǎn)，持續(xù)推動(dòng)了光鐘的快速發(fā)展（見圖2綠色曲線），時(shí)至今日，光鐘自評(píng)估的準(zhǔn)確度已超過10-18量級(jí)。得益于時(shí)間、頻率測(cè)量精確度的提升，極限尺度的基礎(chǔ)科學(xué)探索飛速發(fā)展，精密導(dǎo)航、定位、5G、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備等應(yīng)用早已深入工業(yè)生產(chǎn)、資源勘探和人們的日常生活。

對(duì)于計(jì)量體系的發(fā)展和進(jìn)步，量子標(biāo)準(zhǔn)除了能提供更為精準(zhǔn)的測(cè)量能力外，更重要的意義在于有力推動(dòng)了扁平化計(jì)量體系的構(gòu)建。傳統(tǒng)的計(jì)量體系呈金字塔狀結(jié)構(gòu)（見圖3a），量值需逐級(jí)傳遞，傳遞過程不僅要投入人力、物力、財(cái)力，測(cè)量不確定度也在逐級(jí)遞增。而量子標(biāo)準(zhǔn)不但直接與基本物理常數(shù)相關(guān)聯(lián)，還具有最高的測(cè)量準(zhǔn)確性（相當(dāng)于傳統(tǒng)體系的金字塔尖），將這樣的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)直接用于一般計(jì)量實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)的量值溯源，能夠極大縮短溯源鏈條，實(shí)現(xiàn)“零溯源鏈”計(jì)量。同時(shí)，量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)從金字塔尖下沉后，形成了有條件、有能力者均可構(gòu)建量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的“多極”計(jì)量格局（見圖3b），這些量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的準(zhǔn)確性相當(dāng)，沒有地位高低之分，是扁平化的，因此基于量子計(jì)量的新型計(jì)量體系被稱為扁平化計(jì)量體系。2021年底，中國(guó)國(guó)務(wù)院印發(fā)《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》，其核心任務(wù)之一就是要發(fā)展量子計(jì)量，構(gòu)建扁平化計(jì)量體系，落實(shí)建設(shè)國(guó)家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系的發(fā)展戰(zhàn)略。

電磁量子標(biāo)準(zhǔn)扁平化應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

電磁量子標(biāo)準(zhǔn)起源和發(fā)展

在電磁量中，人們最為熟知的是電壓、電阻和電流，這三者依據(jù)歐姆定律構(gòu)成閉合三角形。在伏特（V）、歐姆（Ω）和安培（A）這3個(gè)單位中復(fù)現(xiàn)任意2個(gè)，再結(jié)合精準(zhǔn)的時(shí)間量（秒）和幾何量（米）溯源，便可導(dǎo)出其他電磁量。目前，用于計(jì)量的電磁量子標(biāo)準(zhǔn)主要包括約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)和量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)。

1962年，英國(guó)劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森從理論上預(yù)言了兩個(gè)超導(dǎo)體被超薄絕緣介質(zhì)層隔開后會(huì)產(chǎn)生隧道電流，后來稱之為約瑟夫森效應(yīng)（JE）。次年，直流和交流約瑟夫森效應(yīng)都被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。約瑟夫森結(jié)（由中間夾有超薄絕緣氣隙的兩個(gè)超導(dǎo)體構(gòu)成）在微波激勵(lì)下，其電壓-電流關(guān)系會(huì)呈現(xiàn)出形似“臺(tái)階”的量子化平臺(tái)（見圖4a）。在量子電壓平臺(tái)上，電壓滿足U=nf/KJ，其中KJ=2e/h為約瑟夫森常數(shù)，f為施加微波的頻率，n為約瑟夫森結(jié)平臺(tái)數(shù)（-1、0或+1）。在固定平臺(tái)上，約瑟夫森結(jié)的輸出電壓僅與施加微波的頻率相關(guān)，而頻率量借助原子鐘溯源具有極高準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，因此，約瑟夫森結(jié)可實(shí)現(xiàn)高精度的電壓輸出。

20世紀(jì)70年代開始，基于約瑟夫森效應(yīng)研制電壓量子標(biāo)準(zhǔn)成為電磁學(xué)計(jì)量的熱點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體制備工藝的提升，將大規(guī)模約瑟夫森結(jié)陣串聯(lián)并同步控制結(jié)陣電壓輸出成為可能。目前，最為廣泛使用的量子電壓標(biāo)準(zhǔn)是可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)（PJVS），其通過將結(jié)陣分段并調(diào)控偏置電流源（-Ib或0或Ib），實(shí)現(xiàn)-10V至10V之間任意幅值的量子電壓輸出。在10V電壓下，不同商用可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)之間，電壓輸出比對(duì)結(jié)果的一致性優(yōu)于1×10-10。

1980年，德國(guó)科學(xué)家馮?克利青發(fā)現(xiàn)了量子化霍爾效應(yīng)（QHE），從此開啟了電阻的量子化計(jì)量之路。不同于經(jīng)典霍爾效應(yīng)中霍爾電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)的線性關(guān)系，在低溫下給二維器件施加與器件平面垂直的強(qiáng)磁場(chǎng)后，二維器件的霍爾電阻與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)強(qiáng)非線性，并出現(xiàn)一系列量化的電阻平臺(tái)（見圖4b）。在電阻平臺(tái)上，電阻量值滿足R=RK/i，其中RK=h/e2為馮?克利青常數(shù)，i為正整數(shù)。由于量子化霍爾電阻僅與基本物理常數(shù)及確定的正整數(shù)相關(guān)，因此依據(jù)該效應(yīng)制成的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)具有極高的穩(wěn)定性，例如，由砷化鎵（GaAs）器件制成的量子化霍爾電阻，其國(guó)際比對(duì)結(jié)果的不確定度低于1×10-9。

約瑟夫森效應(yīng)和量子化霍爾電阻效應(yīng)對(duì)應(yīng)的h/2e和h/e2，剛好可以導(dǎo)出基本電荷e，在微觀上形成量子三角形（見圖5）。另外，國(guó)際上也正在積極探索基于單電子隧道（SET）、通過數(shù)電子的方式來直接實(shí)現(xiàn)安培量值復(fù)現(xiàn)的方案。但受限于數(shù)電子的速度與電荷量檢測(cè)可靠性的矛盾，迄今為止，該方法的測(cè)量準(zhǔn)確性（約2×10-7）還遠(yuǎn)低于約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)和量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)。

輕量級(jí)魯棒型電磁量子標(biāo)準(zhǔn)裝置

是扁平化應(yīng)用的必要條件

約瑟夫森量子電壓標(biāo)準(zhǔn)和量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)需要低溫、超導(dǎo)、強(qiáng)磁場(chǎng)等運(yùn)行條件，并且需要專業(yè)計(jì)量人員運(yùn)維，這在一定程度上阻礙了其扁平化應(yīng)用。若想加速扁平化計(jì)量體系的構(gòu)建，首先就要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景研發(fā)輕量級(jí)魯棒型的量子標(biāo)準(zhǔn)裝置。目前，清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系（簡(jiǎn)稱電機(jī)系）李世松課題組（以下簡(jiǎn)稱課題組）正與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司等單位聯(lián)合開展面向電力應(yīng)用的量子電壓和量子電阻標(biāo)準(zhǔn)裝置構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究。

在量子電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置研制方面，針對(duì)之前使用液氦為量子芯片提供必要低溫運(yùn)行環(huán)境而帶來的成本高、操作運(yùn)維十分復(fù)雜等問題，主要開展便攜式免液氦低溫恒溫控制平臺(tái)技術(shù)研究；針對(duì)以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）為主的不同類型的量子電壓芯片的運(yùn)行需求，開展兼容型量子電壓驅(qū)動(dòng)測(cè)控平臺(tái)研制，旨在實(shí)現(xiàn)不同約瑟夫森結(jié)陣兼容協(xié)同運(yùn)行。在量子電阻標(biāo)準(zhǔn)裝置研制方面，主要開展基于石墨烯、適用于電力計(jì)量的輕量級(jí)量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究，旨在以更低磁場(chǎng)、更高溫度和更大載流量實(shí)現(xiàn)量子電阻量值的復(fù)現(xiàn)。課題組開展上述研究工作的初衷是綜合平衡電磁量子標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量準(zhǔn)確性與運(yùn)行魯棒性的矛盾，進(jìn)而使電磁量子標(biāo)準(zhǔn)能夠更好地適用省級(jí)、部門級(jí)、企業(yè)級(jí)的計(jì)量平臺(tái)和運(yùn)行條件，盡快推動(dòng)電磁量子標(biāo)準(zhǔn)“零溯源鏈”扁平化量值溯源和量值傳遞的落地和應(yīng)用。

挖掘更多應(yīng)用場(chǎng)景助力

電磁量子標(biāo)準(zhǔn)落地推廣應(yīng)用

在電磁量子標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用中，常被問及一個(gè)問題：電磁量子標(biāo)準(zhǔn)除了用作最高等級(jí)的電壓、電阻標(biāo)準(zhǔn)外，還能在哪些計(jì)量場(chǎng)景中發(fā)揮作用？顯然，要說服計(jì)量人員去改變其認(rèn)知中根深蒂固的量值傳遞和量值溯源體系，還要講清楚一件事：電磁量子標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)器”，更是一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)工具”。下文以約瑟夫森量子電壓標(biāo)準(zhǔn)在電能計(jì)量方面的應(yīng)用為例，簡(jiǎn)要闡述目前課題組已挖掘的其在新型電力系統(tǒng)精準(zhǔn)測(cè)量中的一些應(yīng)用場(chǎng)景。

以“雙碳”目標(biāo)為指引，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)已成為我國(guó)電力能源發(fā)展的中長(zhǎng)期目標(biāo)。區(qū)別于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源發(fā)電具有明顯的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性等特征。高比例新能源發(fā)電并網(wǎng)，以及大量電力電子化電器設(shè)備的應(yīng)用，無疑將對(duì)電壓、電流計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性造成沖擊，繼而影響電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和電力貿(mào)易結(jié)算的公平公正。現(xiàn)有的電學(xué)計(jì)量檢測(cè)與校準(zhǔn)方法，主要針對(duì)和關(guān)注工頻、整數(shù)次諧波、穩(wěn)態(tài)信號(hào)，而對(duì)高比例新能源接入帶來的寬動(dòng)態(tài)、功率多變等新場(chǎng)景的覆蓋明顯不足，亟需提出有針對(duì)性的檢測(cè)和校準(zhǔn)方法。

當(dāng)前，課題組正與國(guó)家電網(wǎng)公司合作開展關(guān)于新型電力系統(tǒng)電力計(jì)量裝置動(dòng)態(tài)計(jì)量性能評(píng)價(jià)的研究（見圖6）：首先，長(zhǎng)時(shí)間廣泛采集新能源并網(wǎng)處的電壓、電流信號(hào)，形成波形庫(kù)；其次，提取出反映典型特性的特征參量，借助數(shù)學(xué)工具建立融合多特征量且有真值的典型動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)；最后，利用該信號(hào)對(duì)電力計(jì)量裝置的動(dòng)態(tài)計(jì)量性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。顯然，如何對(duì)所提出的典型動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)校是該方法實(shí)施的關(guān)鍵，一種簡(jiǎn)單的思路是借助頻域或時(shí)-頻域算法，將動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)分解為有限個(gè)單頻正弦信號(hào)的疊加，從而將動(dòng)態(tài)信號(hào)溯源問題轉(zhuǎn)換為寬頻電壓信號(hào)的溯源問題。

傳統(tǒng)寬頻電壓信號(hào)的溯源，主要通過熱電變換方式將交流信號(hào)的有效值與直流電壓值進(jìn)行等價(jià)比較，繼而將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓進(jìn)行溯源。直接由量子電壓標(biāo)準(zhǔn)合成的交流量子電壓波形提供了交流電壓信號(hào)溯源的另一思路。在采用可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)量子電壓系統(tǒng)校準(zhǔn)寬頻交流信號(hào)時(shí)，需要解決以下兩個(gè)問題：其一，在千赫（kHz）范圍，可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)可以直接合成臺(tái)階波逼近被測(cè)正弦波電壓信號(hào)，但臺(tái)階邊緣存在過渡過程和吉布斯效應(yīng)（見圖7a），需要有效區(qū)分量子精度與非量子精度的采樣點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)3σ法和閾值法魯棒性不足問題，課題組提出一種雙向延拓搜尋基波幅值的最小A類測(cè)量不確定度的自適應(yīng)區(qū)分過渡區(qū)與平穩(wěn)區(qū)的判據(jù)，具有更高的精度和魯棒性。其二，受過渡過程影響，可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)無法直接合成超過10kHz的交流量子電壓波形。針對(duì)該問題，一種解決思路是通過低頻可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)量子電壓信號(hào)與被測(cè)高頻電壓信號(hào)的時(shí)域調(diào)制，借助子采樣實(shí)現(xiàn)量子臺(tái)階對(duì)高頻電壓信號(hào)完整周期的覆蓋，實(shí)現(xiàn)100kHz頻率范圍10-5量級(jí)準(zhǔn)確度的交流電壓信號(hào)校準(zhǔn)（見圖7b）。

除了可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)外，寬頻交流電壓信號(hào)還可以通過另一種量子電壓系統(tǒng)來進(jìn)行校準(zhǔn)，即脈沖驅(qū)動(dòng)型約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)，或稱為約瑟夫森任意波形合成器（JAWS）。約瑟夫森任意波形合成器利用在高速電流脈沖驅(qū)動(dòng)下約瑟夫森結(jié)磁通量恒定原理，可合成頻譜十分純凈的交流量子電壓。約瑟夫森任意波形合成器可實(shí)現(xiàn)兆赫（MHz）頻率范圍內(nèi)的交流量子電壓合成，但信號(hào)合成較可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)略復(fù)雜，合成信號(hào)的幅度也較低（最高約2V）。

另外，推動(dòng)量子標(biāo)準(zhǔn)在電力計(jì)量落地應(yīng)用的一個(gè)重要途徑是擴(kuò)展量子標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量物理量的范圍，例如基于量子電壓系統(tǒng)構(gòu)建高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)功率/電能表。電能計(jì)量在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)均不可或缺，而功率標(biāo)準(zhǔn)是精準(zhǔn)計(jì)量電能的基石。傳統(tǒng)的交流功率標(biāo)準(zhǔn)基于熱電轉(zhuǎn)換原理，測(cè)量不確定度約為10-6量級(jí)。量子電壓標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)后，如何基于其建立更準(zhǔn)確的功率標(biāo)準(zhǔn)已成為研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)際上形成的量子功率標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建方案以交流量子電壓標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用“標(biāo)準(zhǔn)表”或“標(biāo)準(zhǔn)源”法使電壓、電流信號(hào)與量子電壓相關(guān)聯(lián)，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的精密測(cè)量，例如以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院為代表的國(guó)家級(jí)計(jì)量院所研制的120V、5A、工頻范圍的量子功率標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確性在10-6量級(jí)。

在量子功率和電能標(biāo)準(zhǔn)方面，課題組正在以下兩方面開展研究工作：一是與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院合作，開展計(jì)及衰減、紋波等動(dòng)態(tài)影響量的直流量子電能國(guó)家基準(zhǔn)的研制工作；二是開展基于可編程約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)的寬頻量子電能標(biāo)準(zhǔn)研究，旨在拓展寬頻功率測(cè)量和校準(zhǔn)能力。

電磁量子標(biāo)準(zhǔn)在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用

質(zhì)量校準(zhǔn)和溯源

約瑟夫森電壓標(biāo)準(zhǔn)和量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)不僅是電磁量溯源的源頭，也是質(zhì)量單位千克量值復(fù)現(xiàn)的重要手段。在SI新單位體系中，質(zhì)量單位千克以普朗克常數(shù)定義，通過實(shí)驗(yàn)手段建立普朗克常數(shù)與千克的精密關(guān)聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)宏觀質(zhì)量、高準(zhǔn)確性測(cè)量的裝置或系統(tǒng)，可稱之為“質(zhì)量量子標(biāo)準(zhǔn)”。目前，世界上構(gòu)建質(zhì)量量子標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線主要包括硅球法和電天平法。電天平法又包括功率天平、能量天平、電壓天平等多種測(cè)量方案，其中，功率天平是國(guó)際上最為主流的質(zhì)量量子標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建方法。截至目前，僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家和計(jì)量組織依托功率或能量天平實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度的質(zhì)量量子標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)大多數(shù)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)相對(duì)欠發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)來說，一方面對(duì)10-8量級(jí)的千克量值復(fù)現(xiàn)裝置有重大需求，另一方面又無法完成自主研究，因此，探索和研制適合技術(shù)輸出的高準(zhǔn)確度電天平裝置，已經(jīng)成為計(jì)量大國(guó)重要的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。

目前世界上達(dá)到10-8量級(jí)測(cè)量準(zhǔn)確度的功率或能量天平實(shí)驗(yàn)裝置都是專用裝置，其技術(shù)要實(shí)現(xiàn)輸出推廣，還存在諸多瓶頸，例如：已有的電天平系統(tǒng)都非常笨重，裝置總重量可達(dá)數(shù)噸，不適合遠(yuǎn)距離復(fù)制或遷移；已有電天平裝置的抗機(jī)械、電磁干擾能力差，速度模式下的動(dòng)態(tài)測(cè)量與稱力模式下的高靈敏性力測(cè)量是在同一套裝置上實(shí)現(xiàn)的，但這兩種測(cè)量模式對(duì)裝置的要求卻是相矛盾的，稱力靈敏性與速度穩(wěn)定性無法同時(shí)達(dá)到極致，只能在一定程度上達(dá)到平衡。針對(duì)上述問題，國(guó)際同行對(duì)實(shí)現(xiàn)電天平技術(shù)方案向外輸出的一致看法是必須使測(cè)量裝置小型化，并應(yīng)通過新的光機(jī)電磁設(shè)計(jì)來提升測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性，即需要探索出一種準(zhǔn)確度高、移植性好、魯棒性強(qiáng)的桌面式電天平系統(tǒng)。

然而，世界上已有的桌面式功率天平的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果（10-6量級(jí)）與10-8測(cè)量準(zhǔn)確性目標(biāo)之間的差距還很大。目前，在已有桌面式功率天平研究中存在著一個(gè)重大誤區(qū)，即過分強(qiáng)調(diào)裝置小型化，而忽略了與裝置尺寸大小密切相關(guān)的誤差放大效應(yīng)。課題組與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院合作研究的工作已證實(shí)，功率天平磁測(cè)量的絕大部分誤差隨磁體氣隙體積減小迅速增加，即過小的磁體設(shè)計(jì)難以滿足高測(cè)量準(zhǔn)確性的要求。為解決該問題，課題組于2022年正式啟動(dòng)桌面式功率天平研究項(xiàng)目，旨在從機(jī)理上厘清功率天平各不確定度分量與試驗(yàn)裝置體積之間的約束關(guān)系，并基于此探索突破兩者約束的新方法，現(xiàn)已形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心模組，未來將力爭(zhēng)為填補(bǔ)我國(guó)桌面式功率天平裝置空白、切實(shí)增加我國(guó)在國(guó)際千克量值復(fù)現(xiàn)和比對(duì)領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)貢獻(xiàn)更多力量。

清華大學(xué)桌面式功率天平設(shè)計(jì)的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于大幅突破了功率天平磁誤差與磁體體積的制約關(guān)系（見圖8）。具體而言，通過調(diào)整內(nèi)磁軛端部形狀，明顯提升了氣隙磁場(chǎng)均勻區(qū)范圍；采用局部永磁體補(bǔ)償，降低磁飽和點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，減小了磁體外磁軛尺寸；另外，借助在內(nèi)外磁軛上選取最優(yōu)水平開合平面并利用磁體自身重力抵消開合面的電磁力，可將磁體開合力降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，課題組已完成磁體系統(tǒng)的加工、裝配和性能評(píng)估，上述創(chuàng)新點(diǎn)已被試驗(yàn)所證實(shí)。未來，課題組計(jì)劃完成桌面式功率天平整機(jī)研制，實(shí)現(xiàn)千克量級(jí)砝碼10-8量級(jí)的校準(zhǔn)能力，以期對(duì)國(guó)際質(zhì)量量子標(biāo)準(zhǔn)扁平化計(jì)量體系構(gòu)建作出貢獻(xiàn)。

力（矩）校準(zhǔn)和溯源

電磁量子標(biāo)準(zhǔn)還可以用于1g以下質(zhì)量砝碼的校準(zhǔn)或毫牛（mN）量級(jí)以下微弱力的精密測(cè)量，該方法被稱為靜電天平，其通過帶電電容系統(tǒng)產(chǎn)生的靜電力，與砝碼的重力或被校準(zhǔn)的力F相平衡，即F=(U2/2)×(?C/?z)，其中U為電容C電極上的直流電壓，?C/?z為電容沿豎直方向z的梯度。U通過量子電壓校準(zhǔn)，C通過直角電橋溯源至量子化霍爾電阻，z通過激光干涉儀測(cè)定。靜電天平微力F校準(zhǔn)準(zhǔn)確性約為數(shù)10-8牛。結(jié)合幾何量測(cè)量，功率天平和靜電天平也可構(gòu)建力矩量子標(biāo)準(zhǔn)。

溫度校準(zhǔn)和溯源

在新國(guó)際單位體系下，電磁量子標(biāo)準(zhǔn)也可參與熱力學(xué)溫度單位K的量值復(fù)現(xiàn)和對(duì)溫度的扁平化計(jì)量。例如，噪聲溫度計(jì)就是一種純電學(xué)的溫度測(cè)量方法?；谀慰固胤匠蹋ㄟ^測(cè)量定值電阻的噪聲功率建立溫度T與玻爾茲曼常數(shù)k的聯(lián)系，即T=U2/(4kRΔf)，其中U為電阻R兩端的噪聲電壓，Δf為噪聲頻率帶寬。為穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測(cè)量噪聲信號(hào)，需要另外產(chǎn)生一路量子電壓信號(hào)作為參考，并實(shí)時(shí)比對(duì)。噪聲溫度計(jì)在水三相點(diǎn)測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性約為10-6量級(jí)。實(shí)際上，噪聲溫度計(jì)在低溫測(cè)量（如低于5K）和高溫測(cè)量（如高于800K）上更具優(yōu)勢(shì)。在測(cè)量低溫時(shí)，測(cè)量信號(hào)可以用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）進(jìn)行測(cè)量，可在1K以下溫度范圍保持1%的測(cè)量準(zhǔn)確性；測(cè)量高溫時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的信噪比（SNR）大幅提升，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性將不再受限于電磁干擾的影響。

綜上所述，自國(guó)際單位制完成修訂以來，越來越多的計(jì)量工作者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到量子扁平化計(jì)量的重要性和迫切性，構(gòu)建扁平化計(jì)量新體系已經(jīng)成為發(fā)展共識(shí)。電磁量子標(biāo)準(zhǔn)作為扁平化計(jì)量的排頭兵，已經(jīng)率先在電力計(jì)量中落地應(yīng)用，開啟了電磁學(xué)計(jì)量的新篇章。同時(shí)，應(yīng)用電磁量子標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量、力（矩）、溫度等非電磁量的校準(zhǔn)和精密測(cè)量，將為交叉領(lǐng)域扁平化計(jì)量體系的構(gòu)建注入新動(dòng)力。量子計(jì)量開啟了測(cè)量科學(xué)的新時(shí)代，扁平化計(jì)量體系構(gòu)建，我們已經(jīng)在路上。

致謝：感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“電磁力配衡重量檢測(cè)器”（項(xiàng)目編號(hào)：2022YFF0708600）、“零鏈條溯源計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2021YFF0603700）、“超導(dǎo)低溫電流比較儀”（項(xiàng)目編號(hào)：2022YFF0706900）的支持。 本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2023年8月刊。

專家簡(jiǎn)介 李世松：清華大學(xué)電機(jī)系助理教授，特別研究員，國(guó)家級(jí)人才青年項(xiàng)目獲得者，IEEE高級(jí)會(huì)員。 趙偉：清華大學(xué)電機(jī)系教授。 黃松嶺：清華大學(xué)電機(jī)系教授，電氣新技術(shù)研究所所長(zhǎng)，IEEE高級(jí)會(huì)員。 劉小虎：清華大學(xué)電機(jī)系助理研究員。 馬康：清華大學(xué)電機(jī)系助理研究員。

馬永超：清華大學(xué)電機(jī)系博士研究生。 劉堅(jiān)：清華大學(xué)電機(jī)系博士研究生。 麻濱麒：清華大學(xué)電機(jī)系碩士研究生。

審核編輯：黃飛