量子真空标准研究进展

2018 年，国际计量局将对国际单位制7 个基本量进行重新定义或重述。基于光学方法的真空计量新方法、新概念进一步发展，促进真空计量标准向量子化迈进，对真空基本量复现以及今后真空国际单位制的重新定义（由压力的SI 单位帕斯卡（Pa）向气体密度单位（mol/m3 或分子个数/m3，变化）具有重要意义。与传统计量技术相比，利用光学方法所建立的量子真空计量标准具有不需要自校、溯源链零长度、响应快、准确度高、可在多个地点及不同时间复现等优点，为真正意义上的绝对原级标准。本文介绍了美国国家标准与技术研究院（NIST）、德国联邦物理技术研究院（PTB）及瑞典国家测试和检定研究院（SNTRI）等机构开展的基于折射率、吸收光谱、冷原子3种光学方法的新一代量子真空计量标准研究进展，对原理、关键技术及难度挑战进行了阐述和分析。     

宽带微波电场量子化计量技术研究

随着国际单位制7个基本单位已由基本物理常数定义,计量单位进入了量子化时代。基于里德堡原子干涉效应的微波电场测量技术,依托里德堡原子的稳定性、可复现性等特点,可实现对微波电场的高灵敏度、低不确定度测量,将微波场强幅值直接溯源至时间频率单位,实现场强参数溯源链路的扁平化。文章利用室温铯原子蒸汽室作为探头,采用AT分裂方案和外差法方案,实现了微波频率范围(1~40) GHz,场强幅度范围5 mV/m~10 V/m的微波电场精确测量。本工作在计量、雷达、太赫兹通信、电磁信号监测等领域有广泛的应用前景。     

交流量子化霍尔效应的研究与应用

电阻有频率变差,电阻在交流状态下的溯源是计量领域的难题,以往采用交直流差可计算电阻实现了交流电阻的溯源,但存在稳定性和一致性较差的问题,当前采用交流量子化霍尔效应作为交流电阻标准成为计量领域的研究热点。其中需要解决交流量子化霍尔电阻及其向实物标准电阻传递的准确度问题。本文介绍了采用分裂式屏蔽结构克服交流量子化霍尔电阻频率误差的方法,研制10-8量级高准确度四端对电桥满足交流量子电阻的传递需求,研制完全等电位屏蔽结构的交流电桥校准装置保证四端对电桥的准确度,并介绍了交流量子电阻基准的应用领域。     

低磁场量子化霍尔电阻样品发展综述

基于量子化霍尔效应建立电阻标准是当今前沿计量技术,是国际上定义电阻单位的最高标准,其核心部件是量子化霍尔电阻样品,传统砷化镓样品通常需要工作在10 T以上的强磁场环境中,磁体研制难度大,成本高,不易推广应用。随着量子电阻标准小型化、低成本化和国产化的发展,研制低磁场量子化霍尔电阻样品是发展趋势。介绍了砷化镓、石墨烯和铁磁拓扑材料三种低磁场量子电阻样品的原理,总结了研究现状和存在的问题,从磁场、温度、测量不确定度和技术成熟度等方面分析了三种方法的优势及不足,旨在为我国发展低磁场量子电阻标准提供理论基础。     

极高真空技术的发展

总结了极高真空(XHV低于10-9Pa的压力范围)获得和测量方法以及获得和测量极高真空的限制因素,描述了降低XHV系统器壁和元件(包括真空规或残余气体分析器)出气率采用的技术。     

国防真空计量“八五”课题技术领先

<正> 近日,国防科工委真空计量一级站承担的国防真空计量"八五"课题——动态流量法超高真空标准装置、金属膨胀式真空计量标准和程控式真空规校准装置在五院510所通过了部级技术鉴定。动态流量法超高真空标准装置主要用于超高真空的校准,解决了国防系统尤其是航天系统对超高真空校准的需求,     

中国科学家成功实现反事实量子通信

正相比传统的通信方式,量子通信以超高的安全性成为未来通信发展的一大方向。与我们熟知的基于纠缠原理的量子通信不同,中国科学家以一种更古怪的形式——反事实通信——实现了量子通信。这种不发送粒子传输量子态的效应也被称作量子芝诺效应。量子芝诺效应发生在不稳定的量子系统被反复测量时。中国科技大学的研究人员成功在不发送任何物理粒子的情况下     

基于金刚石氮-空位色心的温度测量技术

量子信息科学的高速发展推动了量子传感技术的研究,产生了很多重要成果,在精密测量领域产生了重要的影响。基于固态金刚石NV色心电子自旋探测的传感技术,可溯源至基本量子物理规律,在磁场、电场、温度、压力等传感领域的计量标准方面有重要的研究价值。金刚石NV色心优异的性质,使得严苛环境下可靠、稳定、高精度的传感应用成为可能。以其在温度测量领域上的应用为例,重点介绍最近十年来NV色心自旋探测原理和方法的发展,并结合最新的研究成果,论述固态量子温度计量的重要研究意义。     

基于石墨烯的量子化霍尔电阻研究综述

电阻作为重要的元器件在电气电子及其他非电领域得到了广泛应用,对其阻值进行准确溯源和量值传递至关重要。相较于实物电阻计量标准,量子化霍尔电阻标准稳定性和准确性更高。目前我国国家/国防量子化霍尔电阻计量基准是基于砷化镓-铝砷化镓异质材料制成的,其对环境温度和外磁场要求高,普通计量实验室难以复现。石墨烯材料的出现为新型量子化霍尔电阻基准/标准的研制提供了可能。本文简述了石墨烯材料的制备方法及其量子化霍尔效应,介绍了石墨烯量子化霍尔效应的国外研究现状,分析了基于石墨烯材料的量子化霍尔电阻标准在研制过程中存在的问题,旨在为我国新型量子化霍尔电阻标准的研制提供参考。     

电学量子计量技术的进展与趋势

介绍了电学计量在直流电压、直流电阻量子化溯源的新进展,在交流电压、交流电阻量子化溯源的新突破,以及电学量子三角形闭合互证的新方法,并对电学量子计量技术在质量单位定义和普朗克常数测定中发挥的作用进行了描述。     

量子霍尔效应及其在电阻计量中的应用

精密电阻在智能化仪器中发挥重要作用,对电阻的测量准确度需求也越来越高。基于量子霍尔效应的量子电阻标准可以解决传统实物电阻标准的诸多问题,为电阻计量提供了全新的途径。本文描述了量子霍尔效应和量子反常霍尔效应,阐述了基于砷化镓异质结和基于石墨烯的量子电阻器件及阵列的发展,总结了基于砷化镓异质结的传统量子电阻标准的优缺点,介绍和分析了新型石墨烯量子化霍尔电阻标准的优势、发展现状,以及交流量子霍尔电阻标准的最近进展。     

基于量子增强的光学测量技术综述

量子技术赋予科学家直接操纵光子的能力,与传统的光辐射体系相比,测量精度得到了飞跃性的提升。但是,这种测量的精度极限在哪里?能否实现准确度更高的测量?针对上述问题,从量子测量理论切入,综述了近年来相关研究对量子测量不确定度极限的探索,并对其中涉及到的具体技术方法给出简明阐述,回顾了与计量学相关的量子光学基本工具和技术,描述实现量子增强光学测量的主要协议和策略,并总结了该领域的主要实验成果和突破。最后,探讨了为推动量子光学计量技术,未来仪器领域应重点发展的重点方向。     

基于量子化、芯片化的先进计量测试技术发展动态

计量是国家质量基础的重要组成部分，产品质量的提升离不开科学、精准的计量。工业发达国家极为重视计量测试技术的发展。通过搜集、整理量子效应计量、芯片级计量等国内外大量文献资料，归纳分析了近年来国外先进计量测试技术发展动态与趋势。以量子技术和基本物理常数为基础建立量子计量基标准，将大幅提高测量准确度和稳定性，结合量子效应的微加工技术实现芯片尺度的测量等，微纳尺度计量技术也在科学研究、精密测量、智能制造等领域得到广泛应用。本文可为我国计量技术发展提供借鉴。     

氢氧火箭发动机高空模拟试验推力测量装置研制

为了保证氢氧火箭发动机高空环境下推力测量的准确性,针对氢氧发动机高空模拟试验的特点,结合推力测量装置的原理和实际布局的需求,开展了低温及真空环境影响下的推力测量装置结构设计研究。解决了小弹阻力的弹簧片设计技术、校准力与发动机推力轴线一致的控制技术、校准传力机构由动到静真空舱密封的实现技术以及管路约束力对推力测量影响的控制技术等难点,成功研制了一套推力测量装置,应用于某型火箭发动机试验中取得了较好的效果。     

五/六自由度激光跟踪测量技术的原理分析

激光跟踪仪具有测量精度高、动态测量、实时快速等优点,在工业测量及大尺寸计量等领域中有着广泛的应用。五/六自由度测量技术是解决全姿态测量的重要手段,五/六自由度激光跟踪仪是近年来新出现的测量设备,也是实现全姿态测量的常用设备之一,已经广泛应用于机器人跟踪、设备动态标佼等测量工作中。因此针对目前国际上最新的五/六自由度激光跟踪测量技术,主要介绍了基于单站激光跟踪仪实现五/六自由度全姿态测量技术的原理。     

基于双光梳的激光吸收谱真空分压力测量技术研究

为了提高真空分压力测量的准确度和灵敏度，弥补传统测量方法的固有缺陷，真空分压力将结合理想气体定律，使用气体密度来表征。利用气体分子的红外吸收光谱，通过双光梳光谱技术测量其对特定波长光的吸收可实现对混合气体中目标气体密度的精确测量，进而反演出真空分压力。研建了基于电光双光梳的真空分压力测量系统，结合双光梳外差光谱技术与腔增强光谱技术，实现了非侵入、大动态、高速度的真空分压力测量。实验对CO₂,CO,N₂三元混合气体中CO₂与CO的真空分压力进行了测量，其相对误差分别为2.84%和2.77%。通过不确定度分析得出，吸收线强度误差是真空分压力测量中最主要的不确定度分量。     

基于先进量子测量技术的雷达发展动态

传统雷达方案是基于电磁波信号传输理论,通过探测空间中物体反射的电磁波回波信号,来实现目标定位及其他参数的测量。相比于传统雷达方案,量子技术框架下的量子雷达方案旨在提高雷达探测精度和反应速度,同时在抗干扰能力和反隐身功能等方面也具有更加明显的优势。该雷达发展动态研究阐述了量子技术的原理、发展及量子测量技术在雷达中的应用研究动态,着重叙述国内现有最新基于先进量子测量技术的三种量子雷达技术方案,通过案例分析其原理,为未来量子雷达的进一步发展提供可以借鉴的新思路。     

基于原子磁场探测的弱电流计量校准技术发展现状

随着原子磁力计灵敏度的迅速提高，原子系综磁场测量的应用范围逐渐扩大。近年来，已经有若干研究将原子磁力计用于微弱电流测量，研究结果揭示了这种测量方法在增强电流稳定性方面的潜力。借助原子磁力计的高灵敏度特性，通过电流产生的磁场监测电流的微弱变化，使用磁场测量结果进行反馈来稳定电流。主要阐述了原子磁场探测的基本原理以及其在电流计量领域的应用现状，并分析了使用原子磁力计进行电流测量的关键影响因素，展望了该技术的发展态势。     

动态真空校准装置的设计

动态真空校准装置由供气系统、抽气系统、校准系统、烘烤系统、测控及分析系统五部分组成。利用快开超高真空插板阀与限流元件组合的方法,在20ms至1s的时间范围内实现标准压力10⁵Pa至100Pa范围的瞬态阶跃变化。采用稀薄流下DSMC法与连续流下Navier-Stokes方程相结合的模型,确定快速膨胀过程中标准压力时间常数。动态真空校准装置预计达到的技术指标为校准范围10^-1Pa～10⁵Pa,合成标准不确定度小于15%。     

电学计量技术发展综述

介绍了近半个世纪电学计量的发展情况,描述了以量子物理为基础的量子基准,以现代计算技术为基础的计算基准,以等效模拟技术为基础的模拟标准,以感应比例技术为基础的传递扩展装置,以数字化技术为基础的数字仪表和采样测量技术及虚拟仪表等重要发展成就,并对电学计量的未来发展趋势作了展望。