我國能量天平質量量子基準研究取得核心技術突破

4月29日，由中國計量科學研究院承擔的國家科技支撐計劃課題“能量天平質量量子基準研究”通過國家質檢總局組織的專家驗收。該課題通過“能量天平”方案，開展對普朗克常數測量和質量量子基準及其關鍵技術的研究，建立能量天平法測量普朗克常數裝置，使我國首次具備普朗克常數測量和千克基準穩定性絕對測量能力，成為國際上第四個可以獨立測量普朗克常數的國家，步入國際計量前沿研究行列。
       計量基準的準確與否，需要國際單位制的七個基本單位的保證。為適應經濟和社會發展對計量準確度日益提高的要求，20世紀下半葉開始，國際計量界已陸續研制了一系列量子計量基準代替沿用多年的實物計量基準，來復現和保存國際單位制的基本單位。質量單位“千克”是目前國際單位制的7個基本物理量中唯一依靠實物基準保存和復現的一個物理量。實現質量基準的量子化——用某種量子計量基準來代替尚在使用的國際千克原器這一實物基準，重新準確定義質量單位，是國際計量界經典計量難題中最后的堡壘。
       為解決這一難題，目前已有多個先進國家計量院開展了此方面的研究，并提出了若干種解決方案。在國家“十一五”科技支撐計劃重點項目“以量子物理為基礎的現代計量基準研究”的支持下，中國計量科學研究院開展了此方面的研究。
       據課題負責人張鐘華院士介紹，針對國外的研究現狀，課題組獨創性地提出了與國際上通行的“功率天平”方案不同的“能量天平”方案，通過對普朗克常數的測量，建立質量量子基準。目前，課題組已在國際上首次建立了能量天平法測量普朗克常數裝置，并進行了實驗驗證，第一階段測量普朗克常數的相對標準不確定度達到7.7×10-5，為國際計量界已獲得的少數測量結果之一。
       課題組還發揮我國量子化霍爾電阻基準世界領先水平的優勢，攻克了互感量的精密測量等能量天平方案的核心技術，解決了三項國際難題：成功研制一套互感量的精密測量系統，將互感量溯源到量子化霍爾電阻和時間標準，互感測試系統測量不確定度達到1×10-7，優于國際上已發表的互感量精密測量的最小不確定度（3×10-6）；研制成功一種負載系數極小的采樣電阻，提出了負載系數自我校驗方法，為能量天平方案中把互感量溯源到量子化霍爾電阻以及高精密穩流電流源的研制奠定了技術基礎；研制成功一套穩定性達到3×10-7/30 min，幅值達到250mA的磁場恒流源。
       該項研究對于建立我國獨立自主的量子質量基準和計量體系，維護技術主權，應對國際單位制改革，取得“千克”重新定義話語權具有重要意義。同時攻關過程中發展的精密互感測量、特殊采樣電阻、恒流源等技術，具有廣泛的推廣應用和產業化前景，將大幅度提高我國磁測量儀器、電測精密儀器的準確度，提高稀土資源利用價值，提升科技自主創新水平，具有重大的經濟和社會效益。