量子计量的形成与发展

量子计量基准的概况及发展前景 陈群

（华南师范大学 物理与电信工程学院 20092301069）

摘要：以量子物理学为理论基础的量子计量基准在近40年来得到了很快的发展。与传统的计量基准相比较，量子计量基准具有一系列显著优点，例如准确度高，可在多个地点复现等。目前，长度、时间、电学等方面的量子基准已在逐步建立，使计量标准由实物标准向自然标准过渡，测量准确度提高了几个数量级，说明基本物理常数的准确测定在量子计量学的发展过程中具有重要作用。在新世纪中，量子计量基准将得到进一步的发展和完善，其发展前景主要集中基本物理常数的新的定义等方面。

关键词：量子计量基准 自然标准 基本物理常数 基本单位 1 引言

所有的事物都是由一定的“量”组成，并通过“量”来体现的。为了把客观世界的特性用数量表达，就需要测量。比如，著名的万有引力定律，被牛顿的敏锐观察所揭示，并在百余年后经卡文迪许的精密测试而得到了确认；爱因斯坦的相对论，也是在频率精密测量的基础上才得到了一定的验证。测量实质上是一个比较的过程，也因人而异，这就会导致测量结果的准确度不高。于是，在测量过程中需要一个统一的标准，也就是计量标准。量基准器具简称计量基准，是指用

以复现和保存计量单位量值，经国家技术监督局批准，作为统一全国量值最高依据的计量器具。

20世纪50年代以前，基本单位的量值是由实物基准所保存及复现的。这种实物基准一般是用工业界所能提供的最好材料及工艺制成的，以保证其稳定性。但是随着科技及工农业的发展，这样的传统计量值传递检定系统开始反映出许多不足之处。第一，最高的计量基准为某种实物，这样的实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使它的特性发生缓慢的变化，因而它所保存的量值也会有所改变。第二，最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏，就无法完全一样的复制出来，原来连续保存的单位量值也会因之中断。第三，量值传递鉴定系统繁杂，从最高等级的实物基准到具体应用场所。量值要经过多次传递，准确度也必然会有所下降。[1]

传统的量值传递检定系统已经不能适应科技、生产的需要了，一种新的计量基准应运而生，为解决这些问题提供了全新的途径，这就是与传统实物基准完全不同的量子计量基准。21世纪的计量学处于经典物理学与量子物理学的交界处，也处于宏观与微观的交界处。[2]早在1870年，JAWES C.MAXWELL 就提出长度、时间和质量单位不能在我们运动中的行星或物质上寻找，而应在永恒、不变和完全一致的原子辐射的波长、频率及其质量中去寻找。量子计量基准一出现就得到了广泛的关注，发展极为迅速。

2 量子计量基准概况

2.1 量子计量基准的理论基础

量子计量基准是用量子现象复现量值的计量基准，是量子物理学和计量学相结合的产物。1900年，普朗克创立了量子论，他为了解决黑体辐射理论公式与实验不符造成的困难，作出了一个背离经典物理学的基本假定，即频率为v 的振子的能量只能采取一份一份的形式，而不能是连续的形式。这“一份能量”就是一个量子。1905年，爱因斯坦用能量量子的概念成功地解释了“光电效应”。接着量子论取得了一系列的成功。至1926年，薛定谔确立了量子力学的波动方程，从而奠定了量子力学的基础。[3]量子物理学阐明了各种微观粒子的运动规律，特别是微观粒子的态和能量的概念。宏观物体中基本粒子的能级结构与物体的宏观参数，如形状、体积、质量等并无明显关系。因此，即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化，也不会影响物体中微观粒子的量子跃迁过程。这样，如果利用量子跃迁现象来复现计量单位，就可以从原则上消除各种宏观参数不稳定产生的影响，所复现的计量单位不再会发生缓慢漂移，计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的一点是量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生。[4] 2.2量子计量基准的发展

2.2.1 长度单位米的量子计量基准

1906年，美国Michelson 用镉红色光谱线的波长作为历史上第一个长度量子标准：??6438.4696。20世纪60年代后，同位素分离

技术的发展，促使波长标准的准确度进一步提高。大量实验发现Kr-86同位素的谱线是当时谱线纯度最好的谱线，具备取代基准米尺的条件。1960年第11届国际计量大会正式通过了米定义：“米的长度等于Kr-86原子的2p10 和5d3 能进之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。”这个定义开创了用原子跃迁的波长为基本单位定义的新时代。这种基准不像原来的X形原器米尺实物基准[5]的影响，其准确度比实物基准高出近百倍，达到10-9 数量级。[6]随后，激光的发现，引起光干涉测量的新变革。[7]1980年前后，人们用一系列不同频率的激光构成了“频率链”，把微波频段的铯原子钟频率与激光频率联系起来，准确测定了激光的频率。再把激光波长与由Kr-86 光波波长定义的长度单位比较，得到真空中的光速用SI单位表达时的数值为299792458m/s。这个数值的误差主要来源就是由Kr-86 光波波长定义的长度单位的不确定性。如果把真空中的光速数值固定下来，视作无误差常数，反过来用频率单位和真空中的光速导出长度单位，即把长度单位米的定义更改为“真空中光在1/299792458s 的时间间隔内飞行的距离”，由于Kr-86 光波波长定义的长度单位的不确定定性而带来的误差就可以原则上消除。这种做法的重大优点是可以把长度单位的准确性进一步提高，大大超过原来用Kr-86 光波的波长定义的水平。另一方面，真空中的光速的数值一旦固定下来，就不需要随着激光技术的进步而更改，长度单位的定义也就可以长期稳定下来。1983年，国际计量大会正式通过了基于真空中光速的长度单位的新定义，在用基本物理常数定义基本单位对道路上迈出了重要一步。[1]

2.2.2 时间单位秒的量子计量基准

目前秒定义使用了原子钟的先进技术，即采用量子跃迁的频率，人类进入采用量子力学原理来自定义时间单位的新时代。[8]“秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631个周期的持续时间。”[9]然而，用铯原子的超精细能级的跃迁频率定义的时间（频率）单位仍然是基于一种具体的量子物理过程。如果发现了其他复现性更好的跃迁频率（目前的候选者有锶原子、钙原子、激光[7]等），时间（频率）单位的定义就有可能改变，这是我们不希望的。目前有人提出用给定黎德堡常数的数值以重新定义时间频率单位。[1]但目前这只是一种探讨，尚未进行具体的工作。 2.2.3 电单位的量子计量基准

电磁计量的量子计量基准[10]也是当前研究的热点。20世纪下半叶以来，电学的量子计量基准也得到了飞速的发展。1962年，约瑟夫森效应[8]被发现。此效应预言，超导体的库柏电子对越过两块超导体间的势垒时，量子跃迁所吸收或发射的电磁频率，普朗克公式同样成立。利用此种量子跃迁，可把电压与微波辐射频率联系起来，得到准确度与频率基准相接近的量子电压基准，目前其准确度已达到10-12 。[1]

另一项重大发现是1980年由德国科学家冯.克里青发现的量子化霍尔效应。利用此种效应，可以建立一种准确度远远高于传统实物基准的量子电阻基准——量子化霍尔电阻基准[11]。

1988年国际计量委员会建议，从1990年1月1日起在世界范围

内启用约瑟夫森典压标准及量子化霍尔电阻标准以代替原来由标准电池和标准电阻维持的实物标准。从十几年来的实践结果看，1988年国际计量委员会的建议是十分有效的。采用新方法后电压单位和电阻位的稳定性和复现准确度提高了2-3个数量级。[1]

在新世纪中，电磁计量的量子基准将会得到进一步发展，主要表现在电流量子基准的实现。目前人们正致力于探索一种直接的电流量子基准。早在20世纪50年代，有人提出可以对加速器中的电子流进行直接计数而实现基于电子对电荷量这一基本物理常量以及频率量的电流量子基准，但由于技术困难未得到实现。到20世纪90年代，这一想法已有可能通过另外途径实现——单电子隧道效应。然而，该方法依然存在这不足之处[12]。 2.2.4 质量的量子计量基准

质量基准是目前SI单位制中唯一仍利用人工制造的物体定义的，其主基准（千克元器）是一个铂铱合金圆柱体，它存在精确度不高（—10-9），长时间漂移、可能遗失和损坏以及很难与其他低密度物体进行比较等缺点。目前，各国的计量研究院正在努力攻克经典计量学中的顽固堡垒，对这个十分迫切的课题已提出了若干解决方案。例如用高度提纯的硅晶体中的硅原子质量作为新的量子质量基准就是一种有希望的方法，德、日、意、澳等国家计量实验室为这种方案作出了巨大的努力。但这一方案不确定度只能达到10-7量级，而要取代铂铱合金砝码，不确定度至少要达到

。今年来这一方案研究获得的

较大进展是利用同位素提纯的方法得到了基本上只包括原子量为28

的同位素的硅球，从而提高了测量的准确度。[13]另一种方案是“瓦特天平法（Watt Balance）”。这种方法是在力学功率单位和电学功率单位统一的基础上从电学的量子标准导出质量单位来，相当于建立了一种量子质量标准。[13]

3 量子计量基准的前景

（1）目前，量子计量基准总是伴随着某一种具体的量子物理过程，并由此定义一种基本单位。如果此种量子物理过程有了新的发展，人们就会面临着是否要改变基本单位定义的问题。把基本单位用基本物理常数重新定义，基本单位的定义将能长期保持稳定。因此，通过基本物理常数的新的定义，从总体上提高物理常数值的准确度，并形成更为合理的量子计量标准体系，这是近一二十年内我们所能预见到的量子计量基准的发展前景。

（2）量子频标尤其是激光标频的研制，包括激光频率链的建立与完善，也是量子计量基准的发展前景之一。

（3）质量的量子计量标准的建立也是本世纪量子计量基准的发展前景之一。例如，对质量自然标准的探索，或是利用航天技术在失重、无尘的条件下制造出纯净完美的晶体，或是利用可动线圈天平及激光干涉仪，按电功率与机械功率相等的原理，由电学量求得质量，或是其他途径求质量。诸如这些都是值得探讨的。

（4）电单位量子标准及应用超导量子干涉器件（SQUID）[14]的测量仪器的进一步研制也是量子计量基准的发展前景之一。

参考文献

[1] 张钟华. 量子计量基准发展的最新动向—基本物理常数与SI基本单位的重新定义[J]. 中国计量, 2006,(3): 6-9.

[2] 赵克功. 当代计量学的现状和发展——序言[J]. 大学物理, 2002,21(2): 45-45.

[3] 赵凯华, 罗蔚茵. 新概念物理教程——量子物理（第二版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010: 1-40.

[4] 张钟华. 量子计量基准的现状[J]. 仪器仪表学报, 2011,32(1): 1-5. [5] 沈乃澂. 计量学的世纪变迁——长度单位米定义的变迁（一）[J]. 中国计量, 2011,(1): 52-53.

[6] 沈乃澂. 计量学的世纪变迁——长度单位米定义的变迁（二）[J]. 中国计量, 2011,(2): 52-55.

[7] 赵克功. 激光与计量基准[J]. 物理, 1997, 26 (8) : 451-459. [8] 徐润君, 陈心中. 量子理论开创计量新时代[J]. 物理与工程, 2004, 14 (3) : 39-42.

[9] 沈乃澂. 计量学的世纪变迁——时间单位秒定义的变迁（一）[J]. 中国计量, 2011,(3): 52-54.

[10] 张钟华. 电磁计量的量子基准及量子三角形[J]. 物理通报, 2004,(8): 1-3.

[11] 章宏睿. 量子霍尔效应及其在计量中的应用前景[J]. 低温与超导, 1983,( 4): 44-48.

[12] 张钟华. 量了量基准及其进展——现代计量科学专题之一[J]. 物

理通报, 2001, (4): 1-5.

[13] 张钟华. 量子计量基准概况及研究进展[J]. 中国测试, 2009,35(1): 1-6.

[14] 白同云. 超导量子干涉器件在射频计量中的应用[J]. 北京工业大学学报, 1980,(1): 76-88.

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