量子计量基准概况及研究进展

    1 经典计量与实物基准

    人们为了把客观世界的特性用数量表达，就需要进行测量。测量过程实质上是一种比较的过程。例如，我们用步长去测量某一段距离，就是把自己的跨步去与此段距离作比较，确定此段距离是步长的多少倍。当然此例中的测量过程比较粗糙，步长也因人而异，所以测量准确度不高。随着近代大规模机械生产的发展，对零件提出了互换性要求，这就要有统一的几何量标准。贸易活动的日益扩大也提出了建立统一的质量（mass）标准的要求。一旦这些标准建立起来，由不同人在不同时间、地点进行的测量过程就有了统一的依据，测量的数值结果可以相互比较。也就是说，测量过程可以溯源到统一的标准。这种可以溯源到统一标准的测量就称为计量，而统一的标准就是计量标准。

    计量标准一般先在一个国家的范围取得统一，以促进该国的生产和贸易的发展。秦始皇首次统一中国的计量标准（统一度量衡）是历史上对我国计量事业的重要贡献[1]。18 世纪以后由于世界性的工业革命以及国际贸易的发展，首先在欧洲形成了一种国际性的计量单位制———米制，确定了以米、千克、秒为最基本的计量单位。经过一百多年，此种单位制已发展成为目前国际上一致公认的国际单位制 SI。其中规定了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔 7 个基本单位，其他各种单位则由这 7 个基本单位导出。由于 7 个基本单位的重要性，国际单位制中给出了它们的严格定义及准确复现单位的方法。用于保存和复现基本单位的装置就是准确度等级最高的计量标准———计量基准。

    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。例如用一根 X 型截面的铂铱合金米尺原器上两根刻线间距离来定义长度单位米，用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定义质量单位千克，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。图 1、图 2 是米原器和千克原器模型的照片。

    计量基准是保证整个计量工作准确度的基础。但也正是由于其重要性，不能轻易使用。为了使产业界能够使用准确的计量量值，需要建立一种量值传递检定网。以最常见的称重计量为例，最高等级的质量计量基准是保存在巴黎国际计量局的铂铱合金千克砝码原器。每数年一次各国的中央计量机构把它们的国家基准千克砝码运到巴黎与砝码原器进行比对以得到各国基准砝码的准确量值，然后再由各国自行向下传递质量量值。我国则已建立了国家、省、市（县）等各级计量机构。这些计量机构都保存着它们的标准砝码，并按照国家级———省级———市、县级———企业的金字塔式的计量量值传递检定系统依次向下传递量值，开展日常的计量检定工作。