量子计量学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第256页（4069字）

量子物理学和计量学相结合的计量学的一个新领域。

计量学是保证测量统一和准确的科学，它研究同类量的比较(测量及其单位)、不同量的联系(单位制)、量的信息的产生(测量仪器)与信息的交换(量值传递)，以保证生产和商品的社会化，科学技术的可靠性和连续性。量子计量学是量子物理学的一个新分支，也是计量学的一个新领域，它的研究内容包括以下几个方面。

利用量子现象来复现计量单位，建立计量标准，使之由实物标准向自然标准过渡。

1990年普朗克(Planck)为解释黑体辐射经验公式而创立的量子论，得到了光电效应和康普顿(Compton)散射实验的验证。而原子与离子线状光谱及原子束通过不均匀磁场时受力偏转的斯特恩－盖拉赫(Stern－Gerlach)实验，进一步揭示了微观世界的不连续性——量子化的特征，终于由薛定锷(Schrodinger)和海森堡(Heisenberg)等人创立了量子力学。

量子化微观体系的恒定性远远超过了人造的实物标准，于是便产生了建立更为准确、更为稳定的量子标准的想法。

1906年，美国麦克尔逊(Michelson)用镉红光谱线的波长作历史上第1个长度量子标准λ=6438，4696×10^－10m。

1960年第11届国际计量大会决定用K_r⁸⁶光谱线长来定义米，复现准确度最高可达4×10^－9。

1983年第17届国际计量大会通过米的新定义，推荐5种激光辐射和两种同位素单色光辐射的真空波长值，作为长度标准，其中碘稳频612nm激光器是由中国计量科学研究院首先研制的。

1945年，最早用分子束方法观察到核磁共振现象的拉比(Rabi)，建议用原子谱线来建立时间和频率的量子标准。

但直到1955年才在英国NPL建立起第1台铯原子钟。80年代德国PTB用铯原子钟复现频率的准确度已达到10^－14。

1986年中国计量科学院铯原子钟的综合不确定度为3×10^－13(曾和PTB作过比对)。

60年代前后，各国陆续采用核磁共振技术建立强、弱磁场的自然标准并进行电流的绝对测量。

美国NBS(现名NIST)于1978年建立弱磁标准的不确定度为2．4×10^－7，英国于NPL于1974年建立强磁标准的不确定度为1．0×10^－6，中国于70年代完成强、弱结合绝对测定安培课题。

强、弱磁的不确定度分别为3．5×10^－6和0．8×10^－6。1962年由约瑟夫森(Josephson)预言的超导电子隧道效应(约瑟夫森效应)和1980年由克里青(Kitzing)等人发现的量子霍尔效应(克里青效应)很快就用于电压和电阻的量子标准的建立。中国量子化霍尔电阻和约瑟夫森电压标准的不确定度目前都已达到10^－8的数量级。

迄今为止，一个以频率量为基础的世界范围的量子计量标准体系已经初步形成。

在中国，已把“以量子物理为基础的现代计量科学技术研究”列入《国民经济和社会发展十年规划和第八个五年计划纲要》之中。

研究基本物理常数作为量与量之间，尤其是微观量与宏观量之间联系的桥梁。

基本物理常数是自然界中的一些普适常数，目前常用的有104个，包括一些组合常数。其中除气体常数R和引力常数G外，其余各常数都可由5个独立常数通过相应的关系式计算得到。这5个独立常数是：真空中光速c，普朗克常数h，基本电荷e，电子静止质量m和阿伏加德罗(Avogadro)常数N_A。

由于各个常数都由不同的物理规律联系在一起，每个常数可以由不止一个关系来确定。由此可以列出一组方程(方程数＞待求常数个数)，用最小二乘法求得待求常数的最佳值(不确定度最小的数值)，称为基本物理常数的平差。

1929和1952年，分别由伯奇(Birge)和科恩(Cohen)进行了第1、第2次物理常数的平差。1955年，科恩和杜蒙德(DuMond)发表了常数的国际推荐值。

1963年，由于采用新的原子量标准，用K_x⁸⁶光谱线来定义米以及国际温标的修改，他们又进行了一次平差。此后数年间，国际单位制单位及标准又有了一系列变化。1967年，采用C_s¹³³原子跃迁频率来定义秒。1968年，采用新的国际温标，尤其是用约瑟夫森效应测定2e／h工作的快速进展，导致1969年泰勒(Taylor)等人对物理常数作了一次新的重要的平差。1973年，由于光速精密测量及测得的2e／h值更加准确，泰勒和科恩发表了物理常数的最佳值供国际上采用。此后，由于无多普勒激光光谱系及原子束技术的进展。

R∞的不确定度由1．5×10^－8减小到1．2×10^－9；由于和银同位素丰度比的重新准确测定，银原子量的不确定度减小到3×10^－7，从而使法拉第(Faraday)常数的不确定度减小到1．3×10^－6。加上其他一些进展，1986年泰勒和洛克威尔(Rockwell)给出了物理常数的最新推荐值，以国际科技数据委员会(CODATA)基本常数工作报告的形式发表。

1988年国际计量委员会通过决议，自1990年1月1日起，采用新的约瑟夫森常数和克里青常数值：

KJ=2e／h=483597．9GHz／V

R_K=h／e²=25815．807Ω

基本物理常数的准确测定，是量子计量学的一个重要组成部分。

通过自然单位制的研究，揭示物质世界更深刻的内在规律。

单位的选择是有任意性的。

从严格的意义上讲，自然标准就是复现自然单位的实物；而目前采用的国际单位制，大多是公认、习惯采用的单位，并非真正的自然单位。

1906年，普朗克曾设想过采用h、m、c、e作为基本单位，但极少有人认真研究过。1989年，中国计量学院在发表的一项研究中指出：从h、m、c、e这些自然单位出发，由单位方程反推出表示物理量之间关系的与单位无关的量方程，则物理学中许多量子效应：如磁共振ω=γB，磁通量子化现象Φ₀=h／2e，约瑟夫森效应U／f=nh／2e，克里青效应R=h／ne²，甚至还有一些尚未发现或尚未完全证实的新效应(如电容——电感量子化关系式L／C=nh²／e⁴，电流量子化效应I=nef)等等，都可从自然单位制单位的推导过程中得到，这可能暗示着物质世界蕴藏着更深刻的内在规律。

量子计量学在20世纪内到21世纪初的研究热点为：(1)新型量子频标尤其是激光频标的研制包括激光频率链的建立与完善。(2)质量自然标准的探索。

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。(3)电单位量子标准及应用超导量子干涉器件(SQUID)的测量仪器的进一步研制。(4)磁性体系中宏观量子隧道效应(MQT)的研究及其在计量学中可能产生的应用。(5)通过基本物理常数的新的平差，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标准体系。

这就是在近10～20年内我们所能预见到量子计量学的发展前景。

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【参考文献】：

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(中国计量学院陈竹年副研究员撰)