我国能量天平质量量子基准研究取得突破

　　4月29日，由中国计量科学研究院承担的国家科技支撑计划课题“能量天平质量量子基准研究”通过国家质检总局组织的专家验收。该课题通过“能量天平”方案，开展对普朗克常数测量和质量量子基准及其关键技术的研究，建立能量天平法测量普朗克常数装置，使我国首次具备普朗克常数测量和千克基准稳定性绝对测量能力，成为国际上第四个可以独立测量普朗克常数的国家，步入国际计量前沿研究行列。
　　
　　计量基准的准确与否，需要国际单位制的七个基本单位的保证。为适应经济和社会发展对计量准确度日益提高的要求，20世纪下半叶开始，国际计量界已陆续研制了一系列量子计量基准代替沿用多年的实物计量基准，来复现和保存国际单位制的基本单位。质量单位“千克”是目前国际单位制的7个基本物理量中唯一依靠实物基准保存和复现的一个物理量。实现质量基准的量子化——用某种量子计量基准来代替尚在使用的国际千克原器这一实物基准，重新准确定义质量单位，是国际计量界经典计量难题中最后的堡垒。
　　
　　为解决这一难题，目前已有多个先进国家计量院开展了此方面的研究，并提出了若干种解决方案。在国家“十一五”科技支撑计划重点项目“以量子物理为基础的现代计量基准研究”的支持下，中国计量科学研究院开展了此方面的研究。
　　
　　据课题负责人张钟华院士介绍，针对国外的研究现状，课题组独创性地提出了与国际上通行的“功率天平”方案不同的“能量天平”方案，通过对普朗克常数的测量，建立质量量子基准。目前，课题组已在国际上首次建立了能量天平法测量普朗克常数装置，并进行了实验验证，第一阶段测量普朗克常数的相对标准不确定度达到7.7×10-5，为国际计量界已获得的少数测量结果之一。
　　
　　课题组还发挥我国量子化霍尔电阻基准世界领先水平的优势，攻克了互感量的精密测量等能量天平方案的核心技术，解决了三项国际难题：成功研制一套互感量的精密测量系统，将互感量溯源到量子化霍尔电阻和时间标准，互感测试系统测量不确定度达到1×10-7，优于国际上已发表的互感量精密测量的最小不确定度(3×10-6)；研制成功一种负载系数极小的采样电阻，提出了负载系数自我校验方法，为能量天平方案中把互感量溯源到量子化霍尔电阻以及高精密稳流电流源的研制奠定了技术基础；研制成功一套稳定性达到3×10-7/30min，幅值达到250mA的磁场恒流源。
　　
　　该项研究对于建立我国独立自主的量子质量基准和计量体系，维护技术主权，应对国际单位制改革，取得“千克”重新定义话语权具有重要意义。同时攻关过程中发展的精密互感测量、特殊采样电阻、恒流源等技术，具有广泛的推广应用和产业化前景，将大幅度提高我国磁测量仪器、电测精密仪器的准确度，提高稀土资源利用价值，提升科技自主创新水平，具有重大的经济和社会效益。