国内外量子计量发展综述

国内外量子计量发展综述

一、摘要与引言
量子计量技术作为一种先进的计量方式，能够突破经典计量学的精度极限，补充标准量子极限造成的准确度和稳定性缺陷。通过利用量子效应和量子现象复现计量单位，该技术实现了量值的传递和溯源，在测量精度、灵敏度和稳定性上显著优于传统技术。尽管目前仍处于早期研究阶段，面临诸多理论与实验技术的挑战，但其在电压、电能、霍尔电阻及电流等参量上的应用前景广阔，将不断推动计量标准的发展。

二、国内外研究进展

• 国外进展： 2021年至2022年间，俄罗斯开发了基于钇铁石榴石薄膜的新型磁通门脑磁图传感器；德国汉堡大学开创了新的量子气体成像方法；美国麻省理工学院利用金刚石氮空位色心设计量子磁场传感器用于病毒检测；加州大学建立了单离子光学时钟；英国伯明翰大学建造了首个实验室外量子重力梯度仪；威斯康星大学创造了多路复用光学时钟，用于引力波探测和暗物质研究。
• 国内进展： 中国科学技术大学消除了量子比特演化中的精度制衡，实现海森堡极限精度测量；北京量子科学研究院在光学微腔体系中实现奇异面，提高传感灵敏度；中科院微观磁共振重点实验室在室温下实现突破标准量子极限的磁测量及电探测新方法；南京大学提出了直接量子探测器层析（DQDT）方法；北京量子信息科学研究院制备出含高浓度SiV色心的纳米金刚石，成功应用于细胞内温度传感和轨迹追踪。
  

三、关键技术应用现状

• 量子电压计量： 直流量子电压方面，中国计量院等单位利用约瑟夫森电压基准，在0.1~10V范围内测量不确定度优于2.4×10^-7。交流量子电压方面，中国计量院研制的合成装置有效值不确定度优于5.0×10^-6，并成功产生1V脉冲驱动型交流量子电压，基于交流量子电压比例的IVD测量方案不确定度可达1.0×10^-7。
• 量子电能计量： 国际单位制中电能由电压、电流和电阻计算得到。美国NIST和德国PTB已建立基于可编程约瑟夫森电压标准的功率源。中国计量科学研究院创建的新型电能标准装置，可测电压高达120V，电流5A，频率50~1000Hz，不确定度为4.9×10^-6。
• 量子霍尔电阻计量： 利用电位差计比较法或低温电流比较仪法，可将量子化霍尔电阻的高准确度量值传递给不同标称值的标准电阻。电位差计比较法的相对测量不确定度可达10^-8量级；低温电流比较仪法通过调节线圈匝数比例实现量值传递。
• 电流量子计量： 提出了基于抽运-检测型原子磁力仪的电流计量装置，利用拉莫尔进动频率与磁感应强度的关系，结合标准线圈系数，实现电流量值的间接溯源和传递。
  

四、面临的挑战
计量发展核心正由实物原器向物理常数转变，但目前仍面临以下挑战：

• 量子电流： 基于单电子隧道效应的装置需突破电流强度及稳定性难点；基于电子加速器的方案在控制精度上尚不如前者。
• 量子电压： 需提高带载能力，并解决与现有电力溯源体系有效结合的问题。
• 量子电能： 基于可编程约瑟夫森芯片的交直流电能计量标准在幅值、频率量程范围的扩展能力上，尚不能完全适应新型电力系统的应用需求。
  

五、结论与展望
量子计量技术凭借更高的精度、准确度和稳定性，将成为未来计量标准发展的核心驱动力。随着理论的完善和实验技术的突破，量子计量将在量子信息科学及更广泛的领域得到应用。本文通过对国内外大量文献的梳理，全面评述了发展动态与趋势，分析了关键技术面临的挑战并提出对策，旨在为我国计量技术的发展提供借鉴。

文章作者：余震，冯广飞，付政伟，张洁，刘于雷
文章原名：国内外量子计量发展综述