量子计量基准的现状

1　经典计量与实物基准

仪器仪表的准确性是通过溯源到计量标准来保证的。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)是历史上我国对计量事业的重要贡献。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),按X型铂铱合金米尺的刻线间距离定义长度单位米,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。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(例如千克砝码原器是一个铂铱合金圆柱体),就有其固有的缺点。尽管这些实物基准是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成,在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求,但是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。以上述铂铱合金千克砝码原器为例,缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。而且此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。

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,就无法完全一模一样地复制出来,原来连续保存的单位量值也会因之中断。

3)量值传递检定系统庞大繁杂,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。