量子计量基准及SI基本单位的重新定义

电子仪器的测量结果最终要溯源到国际单位制 SI的7个基本单位以保证其准确性。所以,这些SI 基本单位的复现和保存对于精密电子仪器来说极为 重要。

现代社会广泛使用的国际单位制SI中定义了 米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉和摩尔7个基本 单位。基本单位的量值由计量基准所保存及复现。 19世纪下半叶到20世纪上半叶,各国建立起了经 典的计量基准。这些计量基准一般是根据经典物理 学的原理,用某种特别稳定的实物来实现,故称为实 物基准。例如一个保存在巴黎国际计量局(BIPM) 的铂铱合金圆柱———千克原器砝码的质量就定义为 质量单位千克,一根X型铂铱合金米尺原器上两条 刻线间距离就定义为长度单位米,用一组饱和式韦 斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏 特,用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单 位等等。

1　量子计量基准的价值及应用

20世纪50年代以前,基本单位的量值由实物 基准所保存及复现。这种实物基准一般是是用工业 界所能提供的最好的材料及工艺制成,以保证其稳 定性。但是随着科技及工农业的发展,这样的传统 计量量值传递检定系统开始反映出下列的不足之 处:

(1)最高的计量基准为某种实物。这样的实物 基准一旦制成后,总会有一些不易控制的物理、化学 过程使它的特性发生缓慢的变化,因而它所保存的 量值也会有所改变。

(2)最高等级的实物计量基准全世界只有一个 或一套,一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损 坏,就无法完全一样地复制出来,原来连续保存的单 位量值也会因之中断。

(3)量值传递检定系统繁杂,从最高等级的实 物基准到具体应用场所,量值要经过多次传递,准确 度也必然会有所下降。

    上述问题已经使传统的量值传递检定系统日益 不能适应需要。近年来与传统的实物基准完全不同 的量子计量基准的出现,为解决以上问题提供了全 新的途径。

    量子计量基准基于量子物理学中阐明的微观粒 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ΔE的电 磁波能量子,也就是光子。而且电磁波频率ν与ΔE 之间满足普朗克公式: