量子电压基准研究与发展综述

中国计量科学研究院量子电压基准研究与发展综述

一、引言
自1990年国际计量委员会建议启用直流约瑟夫森量子电压基准以来，电磁计量进入了量子化时代。2019年国际单位制重新定义后，电压作为应用最广的导出物理量之一，其基准的准确性至关重要。中国计量科学研究院（NIM）自上世纪80年代起致力于该领域研究，于1993年建立了1V约瑟夫森电压基准（JVS），1999年建立了10V JVS，并多次与国际计量局（BIPM）进行比对，结果在10^-10量级保持高度一致，显著提升了我国直流电压量值传递的准确度。

二、可编程量子电压基准（PJVS）的建立
为进一步提升精度并实现动态信号合成，NIM开展了可编程约瑟夫森电压基准（PJVS）的研究：

• 系统构成： 主要由可编程约瑟夫森结阵、微波系统、低温装置及全自动精密测量系统组成。
• 关键技术： 采用了SINIS结阵，通过控制偏置电流实现电压输出的程控；研发了多通路低温探杆和两种偏流源驱动方案（DAC驱动与独立电流源驱动），确保了电流控制的精准与低噪声。
• 测量性能： 建立了高精度全自动比对系统，利用“+--+"换向法消除热电势影响。测量数据显示，95%以上的标准偏差分布在2~4 nV以内，实现了对固态电压标准的高精度量值传递。
  

三、交流量子电压的合成与测量
基于PJVS，NIM在交流电压领域取得了突破性进展：

• 合成原理： 通过有规律地改变结阵中每段结的偏置电流，动态控制输出，合成阶梯状的正弦量子电压。
• 测量方法演进：
  
  
  
  
  
  
  • 初期采用全波有效值测量法，但受阶梯波过渡过程和谐波影响，不确定度提升受限。
  • 随后发展了基波有效值测量法，利用锁相放大器提取基波差值，将不确定度提升至10^-6量级。
  • 目前主流采用差分采样法，通过调节相位使差值最小化，避开过渡过程影响。NIM研制的10V交流量子电压标准，在400Hz频率下合成不确定度达到1.0×10^-6 V/V。
    
  
  

四、技术应用创新与功能拓展
NIM将量子电压技术拓展至多个前沿领域：

• 量子磁通（伏秒）基准： 利用量子电压方波对时间积分复现磁通，将磁通测量不确定度从10^-4量级提高至10^-7量级。
• 互感高精度测量： 基于量子磁通基准，实现了互感系数从精密计算到精密测量的转变，测量不确定度优于2×10^-6。
• 微小电压精密测量： 研发了微伏量子电压装置，通过双结阵差分补偿技术，将最小量子电压台阶从30μV降低至1μV，相对不确定度达到10^-4量级，填补了微小信号校准的空白。
  

五、结论
中国计量科学研究院已成功建立可编程约瑟夫森量子电压基准，并在交流量子电压合成、量子磁通复现及微小电压测量等方面取得重要成果。这些研究不仅巩固了我国在量子计量领域的国际地位，也为未来电学量值的精准传递提供了坚实的技术支撑。

文章作者：李红晖，王曾敏，徐晴，田正其，段梅梅，王磊
文章原名：中国计量科学研究院量子电压基准研究与发展综述