电磁计量学研究进展评述

2019年5月20日,国际单位制(SI)实现了7个基本单位均以基本物理常数为基准,计量体系迎来“计量单位量子化”和“量值传递扁平化”重大变革。电磁计量在计量学领域中占据极为重要的地位,开展电磁计量研究对保持我国量值传递先进性、促进计量学新发展具有重要意义。介绍了电磁计量的基本特性,综述了其在量子标准及芯片、能量天平、交流电量计量、交流阻抗及比率计量、高压计量、磁参量计量等方面的国内外发展现状,对电磁计量科学技术的发展趋势进行了展望。     

真空中光速的精密测量（一）——长度单位米定义的基础

基本物理常数（以下简称＂基本常数＂）是指自然界中一些普遍适用的常数,它们不受时间、地点或环境条件的影响而变化。纵观近代物理学史,基本常数的发现和精密测量,对物理学理论的建立和发展起到了重要的作用。20世纪下半叶以来,基本常数对计量学也产生了深刻的影响,由于它具有极高的恒定性,计量学家认定它可用于复现计量的基本单位或重要的导出单位,因而对基本常数的精密测量成为计量学的重要基础研究之一。1983年,用真空中光速实现了长度单位米的重新定义,就是一个明证。进入21世纪后,计量学家提出了用基本常数重新定义全部7个基本单位的建议,得到了国际计量委员会及各国计量研究部门的支持和响应,并在实验中取得了很大的成绩。本系列文章将简明介绍与定义计量基本单位密切相关的几个基本常数的精密测量的历史情况及其近期进展。     

SI基本单位量子化重新定义及其意义

第26届国际计量大会(CGPM 2018)表决通过了国际单位制(SI)中7个基本单位的重新定义,其中千克、安培、开尔文和摩尔的定义基于新的物理概念,米、秒和坎德拉的定义表述进行了重新修订;运用自然法则创建测量规则,自此,新修订后的SI基本单位的定义来自一组定义常数,实现了量子化定义。新SI更具有稳定性和普适性,新SI的实现为各国计量领域将带来机遇与挑战。     

试论基本物理常数的特点及其重要作用

基本物理常数具有许多独特的特点,因而引起人们广泛的关注,尤其重要的是,由于具备这些特点,在计量学上基本物理常数可以用来定义计量基本单位,为了实现这一目标,必须大幅度地提高基本物理常数的测量准确度。     

计量量子化变革的影响与思考

与传统计量基准相比,量子计量基准具有极高的准确度和稳定性,普适性极强,可在任何时间、任意地点用相同原理的装置复现等优点。世界范围内的计量领域正发生以量子物理为基础的自然常数取代实物基准的重大技术革命。面对国际单位制量子化变革和量值溯源扁平化的挑战,航天计量应紧紧围绕航天强国建设目标,紧跟国际前沿,积极探索技术发展新方向。     

浅谈计量单位的量子化

正2018年11月召开的第26届国际计量大会,将包含"千克"在内的四个国际单位制(SI)基本单位重新定义,自此,我们迎来国际单位制量子化新时代。到底什么是计量单位的量子化,本文从计量单位的发展概况,为什么要对SI基本单位进行重新定义,基于常数的SI基本单位定义和计量单位量子化演进的影响等四个方面进行简析。     

计量生涯中值得回味的一段往事——记电单位改值的前前后后

用基本物理常数来定义SI单位是计量学领域的长久追求。1962年英国科学家Josephson发现了约瑟夫森效应(JE),1980年德国的V.Kl鄄itzing教授发现了量子化霍尔效应(QHE),他们都因此获得了诺贝尔物理学奖。将JE和QHE运用于电学计量,用常数JK=2e/h和RH=h/e2来     

新年致辞

<正>各位读者朋友:大家新年好!岁月不居,时节如流。我谨代表《上海计量测试》期刊编辑部的全体成员向一直以来关心和支持我刊发展的广大读者朋友们致以最诚挚的问候和感谢。回首刚刚过去的一年,是人类科学成展进步中的一座重要里程碑。伴随着第26届国际计量大会(CGPM)的召开,国际单位制将迈入量子化时代——7个基本单位全部实现由常数定义,并于今年的世界     

我国量子化霍尔电阻标准研究取得重大成果

中国计量科学研究院在量子电阻计量基准研究中取得了重大成果,具有我国自主知识产权的量子化霍尔电阻基准9月13日通过专家鉴定,标志着我国量子计量科学研究在这一领域达到了世界领先水平。     

国际单位制变革下的量子自主溯源技术展望

2019年5月20日，国际单位制（SI）七个基本单位全部正式采用自然常数定义，取代传统的实物基准。随着国际单位制量子化进程推进，以量子计量为代表的量子自主溯源体系逐渐建立。围绕量子自主溯源体系，文章首先分析SI量子化对计量体系的深远影响；其次，分析量子自主溯源的意义，详细论述量子自主溯源的现状；最后，重点展望量子自主溯源的应用前景。     

物理学与计量学—21世纪的计量学

回顾物理学与计量滨发展历史，指出建立在经典物理学基础上的计量单位制存在的问题。分析２１世纪物理学的研究重点及其与计量学密不可分的关系，并讨论了高新技术的发展对量子计量学的需求，以及计量学对地社会安全与安定所起的重要作用。     

普朗克常数精密测量的历史和现状

普朗克常数是量子世界和可观测量子效应的基本标志。作为物理学中基本物理常数之一,它的精确测定对于质量计量的物理基准建立、量子效应精密测量及早期宇宙大爆炸物理特性研究等都有重要意义。经过一百多年来各种间接和直接方法测量,普朗克常数的精确值2019年才被定义。系统地回顾了这一历史进程,并展望普朗克常数精密测量领域的未来发展。     

Developments in the quantum Hall effect

The most important applications of the quantum Hall effect (QHE) are in the field of metrology. The observed quantization of the resistance is primarily used for the reproduction of the SI unit ohm, but is also important for high precision measurements of both the fine structure constant and the Planck constant. Some current QHE research areas include the analysis of new electron-electron correlation phenomena and the development of a more complete microscopic picture of this quantum effect. Recently, scanning force microscopy (SFM) of the potential distribution in QHE devices has been used to enhance the microscopic understanding of current flow in quantum Hall systems. This confirms the importance of the theoretically predicted stripes of compressible and incompressible electronic states close to the boundary of the QHE devices.     

量子精密测量参数估计优化研究进展

量子精密测量是利用量子叠加与纠缠、量子相互作用过程与量子测量等方式增强参数估计精度与灵敏度的技术,是在短中期内最具前景的量子技术之一。本文从量子精密测量的最优化研究方案出发,通过对大量的相关文献进行梳理归纳,分析出量子精密测量三大优化方案：量子态制备与测量最优方案、量子演化过程调控方案与经典后处理优化方案,并对三个基本优化方案进行总结分析。同时介绍了国内外量子精密测量技术的最新理论与实验进展。最后,总结了量子精密测量存在的问题与挑战,并对未来工作进行了展望。     

磁感应强度基准技术评述

从不确定度和应用情况等方面介绍了当前磁感应强度量值单位的几类基准,包括基于计算线圈的实物基准、基于核磁共振原理的量子基准和基于质子旋磁比的基本物理常数基准。量子精密测量领域近年来发展迅速,出现了比传统核磁共振基准的准确度更高的原子磁共振量子基准、可以进一步拓展核磁共振基准的量值下限的超导-核磁共振技术等新进展。重点评述了现有的磁感应强度的量子基准,并介绍了一些有望进一步拓展磁学计量前沿的新进展。     

实现质量量子基准的两种途径

基于基本物理常数定义新的国际单位制成为21世纪国际计量界研究的热点,然而目前一些常数的测定 尚未达到所需的不确定度范围。质量量子标准研究更是目前计量领域研究的重点和难点。经过30多年的发展, 硅球法和功率天平法取得了重大进展,但目前发表的测量结果之间尚存在10^-7量级的偏差。通过详细比较各国实 现质量量子基准的两种途径,指出无论是依靠普朗克常数&还是阿佛伽德罗常数,在现阶段,取代国际千克原器尚有很长的一段路需要摸索。     

基于里德堡原子的微波功率精密测量

提出一种基于里德堡原子量子相干效应的功率测量新方法。将装有铷蒸气的低电磁扰动原子气室置于特定的导波系统中,基于里德堡原子量子相干效应将对导波电场测量转化为对原子吸收光谱的探测,利用功率和导波电场的解析量化关系,实现一种全新的可溯源至普朗克常数的微波功率测量。在10.22GHz频率处与传统功率测量进行比较,-40dBm至-20dBm的功率范围内两者平均偏差为0.08dB(1.86%)。这种全新的微波功率量子测量方法具有灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小等优势,有望形成新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波功率基准。     

普朗克常数h测定与质量量子基准的最新研究进展

借助基本物理常数来定义新的国际单位制一直是国际计量界研究的热点,其中对于普朗克常数h的测量,出现过电流天平方案、电压天平方案、超导磁悬浮方案、功率天平方案和能量天平方案等多种电学方案。一旦普朗克常数h被精确测定,则可以用其来定义新的质量单位,实现质量基准的量子化。详细比较了现阶段各国应用电学方法测量普朗克常数h方案的原理、装置和进展,对将来普朗克常数h的精确测量以及质量量子基准的发展趋势进行了预测。     

Metrology and fundamental physical constants

Fundamental problems of modern metrology are considered. It is suggested that problems arising in metrology during the construction of a system of measurement units are resolved at two levels: fundamental (theoretical) and practical. The increasing importance of developing and applying standards based directly on fundamental physical constants is noted. __________ Translated from Izmeritel’naya Tekhnika, No. 2, pp. 3–7, February, 2006.