此种基准用铯原子在两个特定能级之间的量子跃迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准，以代替原来用地球的周期运动导出的天文时间基准

此种基准用铯原子在两个特定能级之间的量子跃迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准，以代替原来用地球的周期运动导出的天文时间基准

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读《电学计量技术发展综述》有感

文中提到了电学中很重要的一个概念量子基准技术：

国际单位制SI的7个基本单位中与电磁量有关的基本单位是(A) ,但在实际工作中长期维持高度稳定的电流标准相当不容易,而电压单位和电阻电位则可以用标准电池与标准电阻作为实物标准量值来保存,便于开展工作。另一方面,有了电压单位和电阻单位,就可用实验的方法导出所有电磁学单位,因此世界各国均把电压单位和电阻单位作为保存和复现电磁单位的实际手段。电压单位和电阻单位是电磁学单位中最重要的两个单位,目前这两个电学单位都实现了量子基准。

　一是约瑟夫森电压基准，

　二是量子化霍尔电阻自然基准。

下面我想谈谈量子计量的发展

量子物理学阐明了各种微观粒子的运动规律，特别是微观粒子的态和能级的概念。按照量子物理学，宏观物体中的微观粒子如果处于相同的微观态，其能量有相同的确定值，也就是处于同一能级上。当粒子在不同能级之间发生量子跃迁时，将伴随着吸收或发射能量等于能级差DE的电磁波能量子，也就是光子。而且电磁波频率 n 与 DE之间满足普朗克公式, 即两者之间成正比，而比例系数为普朗克常数h。也就是说，电磁波的频率反映了能级差的数量。值得注意的是，宏观物体中基本粒子的能级结构与物体的宏观参数，如形状、体积、质量等等并无明显关系。因此，即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化，也不会影响物体中微观粒子的量子跃迁过程。这样，如果利用量子跃迁现象来复现计量单位，就可以从原则上消除各种宏观参数不稳定产生的影响，所复现的计量单位不再会发生缓慢漂移，计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的一点是量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生，不象实物基准是特定的物体，一旦由于事故而毁伤，就不可能再准确复制。因此用量子跃迁复现计量单位对于保持计量基准量值的高度连续性也有重大的价值。习惯上，此类用量子现象复现量值的计量基准统称为量子计量基准。
    　
　　第一个付诸实用的量子计量基准是1960年国际计量大会通过采用的86Kr光波长度基准。其原理是利用86Kr原子在两个特定能级之间发生量子跃迁时所发射的光波的波长作为长度基准。此种基准不象原来的X形原器米尺实物基准那样，长度量值受环境温度、气压等因素的影响，其准确度比实物基准高出近百倍，达到10-9量级。第二个量子计量基准，也是最著名和最成功的一种量子计量基准，是1967年在国际上正式启用的铯原子钟。此种基准用铯原子在两个特定能级之间的量子跃迁所发射和吸收的无线电微波的高准确频率作为频率和时间的基准，以代替原来用地球的周期运动导出的天文时间基准。尽管地球这个实物庞大无比，但其各种宏观参数亦在缓慢地变化，因而其运动的稳定性并不算很高，仅为10-8量级。而近年来铯原子钟的准确度已达到10-14量级，比地球运动的稳定性高了5到6个数量级，几百万年才有可能相差一秒，充分说明了量子计量基准的重大优越性。铯原子钟的巨大成功在天文学、通信技术以至全球定位技术、导弹发射等军事应用方面均得到了卓越的应用。最近有人根据实验数据提出用钙离子的长寿命能级之间的量子跃迁，可把原子钟的准确度再提高一步，达到10-15量级。一些其他更有前途的方案，如激光冷却的铯原子喷泉等，也在发展之中。近年来由于激光技术的飞速发展，使人们对长寿命能级的知识不断增加，制成了一系列极稳定的激光器，其波长的稳定性达到10-12量级，并于1983年替代了86Kr光波长度基准而成为新的更高水平的量子长度基准。与本世纪上半叶还在使用的X型原器米尺实物基准相比，真是不可同日而语了。
　　
　　随着人们对各种量子跃迁的认识不断深入，量子计量基准已不再局限于复现长度与时间这两种基本单位。80年代以来，电学的量子计量基准也得到了飞速的发展。两种荣获诺贝尔物理学奖的重大发现导致了约瑟夫森电压量子基准和量子化霍尔电阻基准的的建立。1988年国际计量委员会已建议从1990年1月1日起在世界范围内启用约瑟夫森电压标准及量子化霍尔电阻标准以代替原来的由标准电池和标准电阻维持的实物基准，并给出这两种新标准中所涉及的约瑟夫森常数KJ及冯克里青常数RK的国际推荐值。从几年来的实践结果来看，1988年国际计量委员会的建议是十分有效的。采用新方法后电压单位和电阻单位的稳定性和复现准确度提高了两到三个数量级。
　　
　　目前，各国的计量研究院正在努力攻克经典计量学中的顽固堡垒--用某种量子计量基准来代替尚在使用的铂铱合金千克砝码实物基准。此实物基准是上一世纪制成的，当时估计其准确度为10-9量级，在19世纪的各种计量基准中首屈一指。可惜的是其后陆续发现了不少因素会使其保存的质量量值不断发生变化。例如该砝码尽管不易氧化，但其表面仍会吸附一些肉眼无法察觉的气体分子和其他杂物，甚至其内部也会吸附氢气等气体。这些过程使该砝码质量的增加量可能已达到了十多微克（1×10-8以上)。仔细的清洗过程可以减少此种被吸附的杂物，但过一段时间又会发生类似过程。为了摆脱此种困境，亦应该用某种适当的量子计量基准来代替这一已明显跟不上时代步伐的实物基准。目前对这一十分迫切的课题已提出了若干解决方案。例如用高度提纯的硅晶体中的硅原子质量来作为新的量子质量基准就是一种有希望的方法，其关键步骤是实际计数出硅晶体中原子的数目。但这一方案虽经多年探索，准确度还只达到10-8量级，尚未能直接取代铂铱合金砝码。还有一种办法是利用约瑟夫森电压和量子化霍尔电阻导出量子电功率基准，再经过速度及重力导出质量量值。从原则上说也算是一种量子质量基准。尽管这种方案构思十分巧妙，但稍嫌复杂，目前的准确度也只能达到10-8量级。国际计量局已明确号召各国的计量科学家用各种各样的方案来攻克量子质量基准这一难关，但看起来要到21世纪方有可能见到有实用价值的成果。
　　
　　可以预见，量子计量基准将为我们提供前所未有的测量准确度，不断发展新型的量子计量标准成为人们不懈的追求。在新世纪各国激烈的技术竞争中，量子计量基准将起着越来越大的作用。