以量子物理为基础的现代计量基准研究简介

《以量子物理为基础的现代计量基准研究》是为落实国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》和《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》，而启动的“十一五”国家科技支撑计划重点项目。一共包括9个课题，如下：课题1、能量天平质量量子基准研究；
课题2、可编程约瑟夫森量子电压基准研究；
课题3、玻尔兹曼常数测量及热力学温度基准研究；
课题4、精细结构常数测量关键技术及电容基准的研究；
课题5、光辐射量子计量基准及关键技术研究；
课题6、阿伏加德罗常数测量关键技术研究；
课题7、同位素丰度基准的研究；
课题8、冷原子纳米尺度计量基准关键技术研究
课题9、基于电子隧道效应量子电流基准关键技术研究
以下分别作简要介绍。
课题1  能量天平质量量子基准研究
（一）目标
发展互感精密测量技术，测量不确定度达到1×10-7；以此为基础建立一套“能量天平”装置，实现我国的量子质量基准。并完成用此套装置对普朗克常数的测量。
（二）主要研究内容
建立用于复现质量单位的高精度真空天平；研制激光定位系统，实现互感量测量中线圈在几个不同位置的精密定位到零点几纳米；设计和研制精密线圈系统，要求其互感量能对几何位置的变动不敏感；研制精密电流源，实现互感量测量和天平力的测量；最后实现互感精密测量，达到用互感量的测量来吸收“几何因子”的目的，建立能量天平测量装置。
（三）主要技术参数和考核指标
互感测量1×10-7，建立质量量子基准装置，完成用此装置对普朗克常数的测量，达到国际先进水平。


课题2  可编程约瑟夫森量子电压基准研究
（一）目标
建立一套可编程约瑟夫森量子电压基准，达到国际先进水平。
（二）主要研究内容
直流方面要研究减少精密测量环节引入的误差，降低系统的A类不确定度，使系统满足可携带的要求。在产生动态交流信号方面主要研究SINIS结阵的动态特性、微波源及传导系统、台阶电压的激励方式、结阵偏置源传输线路、交流信号处理电路、正弦波的合成与误差分析。以及掌握量子器件制作的关键技术方面的研究。
（三）主要技术参数和考核指标
直流1伏：      不确定度达到 5×10-9；
交流1伏（50Hz）不确定度达到 1×10-5


课题3  玻尔兹曼常数测量及热力学温度基准研究
（一）目标
建立测量玻尔兹曼常数和辐射法、噪声法测量热力学温度装置，测量玻尔兹曼常数达到相对标准不确定度为1×10-4；测量新高温金属-碳共晶点和银（或铜）凝固点的热力学温度，相对标准不确定度达到3×10-4；测量氩三相点的热力学温度，相对标准不确定度达到1×10-4。
（二）主要研究内容
建立测量玻尔兹曼常数实验装置，解决相关的关键性技术，并开展测量玻尔兹曼常数的研究，测量的相对标准不确定度好于1×10-4。
建立辐射法测量热力学温度的实验装置，测量银（或铜）凝固点和新固定点高温金属-碳共晶点钴-碳、铂-碳、铼-碳共晶点热力学温度，测量相对标准不确定度达到3×10-4以内。
开展噪声法测量热力学温度研究，掌握噪声温度计测量用低电磁干扰、绝热熔化温坪技术，开展氩三相点的热力学温度测量，测量相对标准不确定度达到1×10-4。
（三）主要技术参数和考核指标
1)玻尔兹曼常数的测量研究，测量的相对不确定度达到1×10-4；
2)金属-碳共晶点（钴-碳、铂-碳、铼-碳共晶点）和铜（或银）凝固点热力学温度测量，测量相对标准不确定度达到3×10-4；
3)氩三相点热力学温度的测量，测量的相对不确定度达到1×10-4。


课题4  精细结构常数测量关键技术及电容基准的研究
（一）目标
建立计算电容装置，包括计算电容本体，电容电桥、直角电桥和高等级激光干涉仪。与已有的量子化霍尔电阻相结合，宏观测量精细结构常数;
（二）主要研究内容
研制带运动电极的立式计算电容器，研制电容电桥和直角电桥, 建立新的电容基准；并与已有的量子化霍尔电阻相结合，确定克里青常数Rk，由此宏观测量精细结构常数。
（三）主要技术参数和考核指标
研究克服端部效应的补偿方法。新的电容基准不确定度达到国际先进水平。精细结构常数宏观测量，达到国际先进水平。


课题5  光辐射量子计量基准及关键技术研究
（一）目标
建立基于光子相关技术的光电探测器量子效率测量装置；建立标准光电探测器的外量子效率模型；建立光谱比较系统；建立飞秒脉冲自相关仪及相位还原系统软件；建立飞秒脉冲光谱相位相关仪。
（二）主要研究内容
利用相关光子测量技术建立光电探测器量子效率测量装置。建立550nm～950nm波长范围内标准光电探测器外量子效率模型及高准确度的光谱比较系统的。复现坎德拉新技术的研究。基于光电探测器量子效率的激光功率能量测量的研究。
（三）主要技术参数和考核指标
基于量子物理的光辐射计量基准建立的研究，建立基于光子相关技术的光电探测器量子效率测量装置一套，测量探测器量子效率的不确定度为1%；
建立标准光电探测器的外量子效率模型，解决激光波长间光辐射功率测量问题，550nm～950nm标准光电探测器一组，标准光电探测器的光谱响应度不确定度为0.03%；
建立光谱比较系统，解决从相干光到非相干光的测量的过渡，光谱比较系统波长范围：500nm～1000nm，光谱比较准确度:0.08%，波长准确度0.1nm；
进行复现坎德拉新技术的研究，555nm光度计响应度定标不确定度0.08%；研制用于光度计响应度量值保存和传递的标准光度计一组，其V（λ）匹配误差小于2.5%，红外响应误差小于1%，紫外响应误差小于0.5%，示值误差0.5%；
实现新的激光功率、能量复现技术的研究，激光功率（0.1mW-100mW）基准的测量不确定度由目前的0.4%(k=2)降低到0.1%(k=2)，激光功率（0.1W-70W）基准的测量不确定度由目前的0.8%(k=2)降低到0.2%(k=2)，脉冲激光能量基准的测量不确定度由目前的1.0%(k=2)降低到0.4%(k=2)；
建立飞秒脉冲自相关仪、光谱相位相关仪，实现飞秒脉冲时域宽度、光谱相位的测量，并根据相位还原飞秒脉冲的脉冲宽度和脉冲波形。考核指标：时域测量范围：100fs～30fs，测量不确定度：<15%，测量光谱宽度：700nm～900nm，光谱相位不确定度：<10%；
建立光学材料逆反射性能检测标准装置、实现逆反射系数，逆反射强度等量值的传递。装置测量精度：5%，标准样品均匀性优于8%。


课题6  阿伏加德罗常数测量及固体密度基准研究
（一）目标
以国际阿伏加德罗工作组为背景，对技术上有较大潜力并有希望取得重要突破的项目---硅球密度和单晶硅原子量展开研究。主要目标：建立一套固体密度基准，实现单晶硅球测量不确定度优于5×10-8，达到国际领先水平；突破单晶硅原子量精密测量关键技术，实现硅原子量测量不确定度优于2×10-7；阿伏加德罗常数的测量不确定度达到目前国际先进水平（具体指标同时取决于CODATA数据库中晶格常数或硅原子量测量结果）。
（二）主要研究内容
采用X射线晶体密度法测定阿伏加德罗常数：通过测定单晶硅球的宏观密度---硅球的质量除以体积，单晶硅的原子量---数值上等于硅的摩尔质量，利用“国际数据委员会（CODATA）”提供的晶胞的体积---晶格常数和晶胞原子数，求得阿伏加德罗常数。主要研究内容包括
硅球密度测量。立足于新的技术原理，研究新的测试方法，以突破目前国际上常用测量方法之不足。内容包括建立以“相移法”为基础的真空测长系统，研究非接触温度测量方法，实现表面形貌分析法和椭圆偏振测量仪联合精密测量硅球表面的氧化层厚度，研究硅球质量测量方法等。
硅原子量的测量。采用质谱法测量硅原子量：研究新的测试技术和流程，研究MS系统误差校准模式，研究分馏效应和质量歧视造成的系统误差，降低仪器本底和记忆效应，获得高准确度的同位素丰度比进而准确测定原子量。
（三）主要技术参数和考核指标
        单晶硅球密度标准不确定度优于5×10-8。其中硅球直径测量准确度优于0.5nm；氧化硅层厚度优于1nm；温度测量准确度优于2mk，石英线胀系数优于0.02%，硅球质量测量准确度优于10μg；
        对高纯硅28原子量测量不确定度达到6×10-8；对高纯的硅-28物质中硅-29与硅-30杂质含量的准确测定，使硅原子量测量不确定度优于2×10-7。
        利用阿伏加德罗常数工作组提供的晶格常数或硅原子量（视国外原子量的研究进展）求得阿伏加德罗常数，进行测量结果的不确定度评定，技术指标达到目前国际先进水平。


课题7  同位素丰度基准的研究
（一）目标
建立同位素丰度基准的理论模式，建立锌、钐、硒、镉同位素丰度基准，包括基准测量方法和同位素丰度基准物质,其中主同位素丰度值不确定度在0.5％－0.08％；测量硒、镱元素的原子量，原子量测量值的不确定度好于目前国际标准值的不确定度。在同位素测量方面形成具有独立知识产权的、达到国际先进水平、具有国际竞争力的技术标准；培养、形成一只高素质的、具备攻关能力和竞争力的、人员分工配置合理的科研团队；在此基础上，不断自主研发我国的同位素丰度基、标准，建立并逐步完善相应的溯源体系。
（二）主要研究内容
研究同位素丰度基准的建设方案；通过质谱测量技术研究，建立锌、钐、硒、镉同位素丰度测量基准方法；进而研制锌、钐、硒、镉的同位素丰度基准物质和标准物质；测量硒、镱元素的原子量。
（三）主要技术参数和考核指标
1)同位素丰度基准建设方案研究报告；
2)锌、钐、硒、镉的同位素丰度基准测量方法和基准物质；
3)主同位素丰度值不确定度在0.5％－0.08％（视元素不同而定）；
4)锌、钐、硒、镉同位素丰度标准物质达到国家一级标
5)准物质水平；
6)硒、镱原子量测量研究报告，原子量测量值的不确定度好于目前国际标准值的不确定度。


课题8  冷原子纳米尺度计量基准关键技术研究
（一）目标
建立冷原子纳米尺度计量基准，完成冷原子沉积系统实验装置，开展冷原子光栅线距标准的实验，获得冷原子沉积结构；争取1～2项达到国内领先水平；
（二）主要研究内容
以冷原子物理为基础，利用原子和光的相互作用，实现原子的有序聚焦沉积，最终得到冷原子纳米尺度计量基准，为制作纳米计量标准传递提供更加精确的技术手段。
（三）主要技术参数和考核指标
设计加工原子沉积腔及真空系统、原子操控系统光学元器件、真空系统安装和联机实验、激光频率控制系统和原子操控系统，获得冷原子荧光信号，在室温条件下，冷原子沉积腔的真空度达到1×10-8mbar；实现冷却激光的频率稳定，频率波动范围小于250kHz；观测到横向冷却的原子荧光信号。完成冷原子沉积实验装置，制成微结构光栅样品。


课题9  基于电子隧道效应量子电流基准关键技术研究
（一）目标
突破量子隧道效应量子电流基准关键技术：对于单电子隧道效应电子输运的量子电流基准的关键技术和困难，分析其成因与影响，对其形成机理进行物理学分析，完成对有关单电子器件的特性分析和设计。在实验和精密测试的基础上，探索量子电流基准的特性。
（二）主要研究内容
1.研究半导体异质结准二维电子气的物理参数对单电子输运特性的影响，特别是在准一维量子线中，杂质或电子迁移率对电子弹道式运动的影响。杂质形成的静态量子点在行波电场作用下的行为；
2.在微波波段为准二维电子气设计、制作行波电场叉指换
能器，测试并研究其频响特性，使之满足单电子器件的要求；
3.设计改善单电子器件的制作工艺，利用国内、外的光刻、电子束刻蚀设备制作单电子器件；
4.对单电子器件的各个部件进行理论分析、计算模拟，以确定其电子输运特性；
5.寻找声电电流量子化的物理起因和最佳电流平台；
6.开展微弱电流测试技术的研究，研究其随机电报噪声，串话及声波体波反射等因素的抑制，实现pA（10-12安培）量级的低电平电流精密测量。
（三）主要技术参数和考核指标
1.单电子器件量子物理特性研究：研究行波电场对单个电子的搬运现象，寻求声电电流量子化的条件，研究分裂门势能位形、杂质量子阱的影响，以便得到最佳的量子化平台；
    2.与上述研究同步，进行准一维量子线单电子器件设计、制作的实验研究。进行深低温实验与理论分析，继而改进、优化器件性能；
3.进行有关量子电流基准关键技术与特性测试方法研究，建成其测试装置和测量系统。