編者按 中國計量科學研究院張鐘華院士負責用量子化霍爾效應建立國家電阻標準，他帶領的研究組研制的低溫電流比較儀的不確定度達到10－10量級為世界第一，在世界電學領域享有極高聲譽。在中國儀器儀表學會2005學術年會上張鐘華院士就“二十一世紀中的計量測試技術”做了精彩演講，博得與會代表熱烈掌聲。會后就同一問題，接受了本刊記者的采訪。 記者：計量測試技術的發(fā)展 經(jīng)歷了很長的階段，請您談談計量工作的發(fā)展過程。 張鐘華院士：適應社會發(fā)展狀況的計量工作經(jīng)歷了以下階段。第一階段：農(nóng)業(yè)社會，統(tǒng)一度量衡；計量工作適合農(nóng)業(yè)社會中農(nóng)產(chǎn)品和生活用品貿(mào)易的需要，測量準確度達到百分之一到千分之一（10－２到10－３量級）。第二階段：工業(yè)社會，工業(yè)生產(chǎn)中的互換性要求，對工作的加工精度提出了更高要求；科學技術工作中對精密儀器提出了需要，測量準確度要達到萬分之一到億億分之一（10－４到10－3量級）。為適應大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)提出的要求，生產(chǎn)過程中要求進行精密測量，自動化生產(chǎn)要求在線的、快速的測量設備。進入二十一世紀提出了新問題，如生物醫(yī)療、環(huán)境保護、國防安全等，都需要準確度更高的精密測量設備。 記者：基本單位的量值需要復現(xiàn)和保存，以便實際應用，這些任務是由計量基準來完成的。請您談談實物計量基準和量子計量基準的不同。 張鐘華院士：20世紀上半葉以前，基本單位的量值由實物計量基準復現(xiàn)和保存。實物基準一般是根據(jù)經(jīng)典物理學的原理，用某種特別穩(wěn)定的實物來實現(xiàn)。例如一個保存在巴黎國際計量局（BIPM）的鉑銥合金圓柱——千克原器砝碼的質(zhì)量就定義為質(zhì)量單位千克，按x型鉑銥合金米尺的刻線間距離定義長度單位米，用一組飽和式韋斯頓標準電池的端電壓的平均值保持電壓單位伏特，用一組標準電阻線圈的電阻平均值保持電阻單位等等。如米原器模型、千克原器模型等。實物基準存在以下局限性： （1）最高的計量基準為某種實物，就有其固有的缺點。盡管這些實物墓準是用19世紀末20世紀初工業(yè)界所能提供的最好的材料及工藝制成，在當時也滿足了對于計量基準的準確度及穩(wěn)定性的要求，但是這樣的實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學過程使其特性發(fā)生緩慢的變化，因而它們所保存的量值也會有所改變。以上述鉑銥合金千克砝碼原器為例，緩慢地吸附在其表面及內(nèi)部的氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會使其質(zhì)量發(fā)生變化。而且此種逐年積累的變化的準確數(shù)量也很難確切查明。 （2）最高等級的實物計量基準全世界只有一個或一套，一旦由于天災、戰(zhàn)爭或其他原因發(fā)生意外損壞，就無法完全一模一樣地復制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會因此中斷。 （3）量值傳遞檢定系統(tǒng)龐大繁雜，從最高等級的實物基準到具體應用場所，量值要經(jīng)過多次傳遞，準確度也必然地有所下降。 上述問題已經(jīng)使傳統(tǒng)的量值傳遞檢定系統(tǒng)日益不能適應需要。20世紀下半葉以來與傳統(tǒng)的實物基準完全不同的量子計量基準的出現(xiàn)，為解決以上問題提供了全新的途徑。量子計量基準的優(yōu)點是： （1）量子計量基準的準確度一般要比實物計量基準高幾個數(shù)量級。 （2）量子計量基準是一種物理實驗裝置，可以多處建立。不會有一旦損壞不能準確復現(xiàn)的問題。 （3）按照相同原理建立的量子計量基準，所復現(xiàn)的量值也相同，避免了計量基準的量值多次逐級傳遞而造成的一系列問題。 記者：請您談談量子計量基準的進一步發(fā)展。 張鐘華院士：日前已建立的量子計量基準總是伴隨著某一種具體的量子物理手段，從而定義了一種基本單位。如果此種手段有廠新的發(fā)展，人們就會面臨著是否要改變基本單位定義的問題。例如，現(xiàn)在的時間（頻率）單位是用銫原子的超精細能級的躍遷頻率定義的。如果發(fā)現(xiàn)了其他復現(xiàn)性更好的躍遷頻率（目前的候選者有鈣原子、激光等），時間（頻率）單位的定義就有可能改變。但是，單位定義的改變影響面很大，頻繁地改變單位定義是人們所不希望的。因此，人們就開始探索更為穩(wěn)定化的單位定義方法。 從目前的物理學知識來看，基本物理常數(shù)（如真空中光速c、普朗克常數(shù)h、電子電荷e等）是不變的，有最好的穩(wěn)定性。如果能把基本單位用基本物理常數(shù)定義，基本單位的定義將能長期保持穩(wěn)定。復現(xiàn)基本單位的具體技術手段可以隨著科學技術的進步而不斷與時俱進，但基本單位的定義可以無需更改。這樣的基本單位制將更加科學，也可在更長的時期內(nèi)為人們服務。 因為基本物理常數(shù)有幾十個，彼此之間有各種各樣的方程式互相聯(lián)系?；疚锢沓?shù)工作組定期（大約幾年一次）對國際上發(fā)表的基本物理常數(shù)SI值的測定結(jié)果進行評定，并用最小二乘法對發(fā)表的基本物理常數(shù)SI值進行乎差，得到一組基本物理常數(shù)的最佳推薦值，供各有關方面使用。最新兩次基本物理常數(shù)的平差是1998年和2002年進行的。 1982年把長度單位定義成真空中光在（1／299792458）秒中走過的距離，就是把長度單位用真空中的光速和時間頻率標準來定義。這是在此方向跨出的一步。 1988年國際計量委員會又建議用約瑟夫森量子電壓標準和量子化霍爾電阻標準代替原來的電壓、電阻實物基準，等效與用普朗克常數(shù)h、電子電荷e和時間頻率標準復現(xiàn)電壓和電阻單位。這是在用基本物理常數(shù)定義單位的方向上又跨出的一步。 在溫度單位方面，也正在試探用波爾茲曼常數(shù)k定義溫度單位開爾文的可能性。 現(xiàn)代最準確的銫噴泉原子鐘，3000萬年誤差1s。 記者：您研制的量子化霍爾電阻量值傳遞到100Ω的低溫電流比較儀的測量不確定度達10－10“量級，是世界最高水平，用量子化霍爾效應建立了國家電阻標準，為計量事業(yè)發(fā)展做出了重大貢獻。請您介紹一下這方面的情況。 張鐘華院士：1990年1月1日起，按照國際計量委員會的建議，已在世界范圍內(nèi)啟用了量子化霍爾電阻自然基準代替原有的電阻實物基準?，F(xiàn)已有BIPM及美、英、法、德、日、瑞士等國家級實驗室建成了此項量子基準。加拿大、澳大利亞、韓國、臺灣、香港、新加坡、南非等國家和地區(qū)也正在積極建立此種基準。 我國建立電壓量子基準的工作已完成?，F(xiàn)在需要建立量子化霍爾電阻自然基準與之配套，導出SI單位制中電學量基本單位電流和實用中最為廣泛的功率、電能的單位，以適應我國加入WTO以后檢定結(jié)果國際互認的要求。 1988年9月在巴黎舉行的國際計量委員會電咨詢委員會（CCE）第18次會議上，綜合了各國用“可計算電容法”求得的h／e2以及用量子電動力學實驗求出的。這兩種不同類型的各次實驗結(jié)果，給出了RH的國際推薦值。RH＝25812.807Ω，即i＝l時的RH值。 i＝2的平臺處的量子化霍爾電阻值為 我介紹一下一些正在建立量子化霍爾電阻標準的國家和地區(qū)的情況； 澳大利亞：已進行多年，可用電阻網(wǎng)絡把量子化霍爾電阻的量值傳遞到1Ω，準確度為10－8量級。但建立低溫電流比較儀的工作尚未完成。 意大利：與澳大利亞相似。 韓國：用磁放大電流比較儀把量子化霍爾電阻的量值傳遞到1Ω，準確度為10－7量級。建立低溫電流比較儀的工作尚未完成。 我國臺灣地區(qū)：已建立低溫電流比較儀，但只能手動操作，準確度為10－8量級。 新加坡、香港特別行政區(qū)、挪威、南非、斯洛伐克：購買了牛津儀器公司的低溫電流比較儀，但均未能正常工作。由于質(zhì)量不過關，牛津儀器公司的低溫電流比較儀已停產(chǎn)。 丹麥：建立低溫電流比較儀的工作未完成。欲與中國計量院合作。 用電阻網(wǎng)絡來傳遞量子化霍爾電阻的量值時，步驟多，準確度較低。20世紀90年代以后，各國發(fā)展了用低溫電流比較儀傳遞量子化霍爾電阻的量值的新方法，準確度提高了一到兩個數(shù)量級。1997年我院在世行貸款項目的支持下，啟動了用低溫電流比較儀傳遞量子化霍爾電阻的量值的新課題，課題完成后大幅度提高了我院量子化霍爾電阻基準的準確度，達到10－10量級。按目前已發(fā)表的資料來看，我院量子化霍爾電阻基準的準確度已位列世界第一。 低溫電流比較儀目前國際上在此方面遇到的主要問題有： （1）準確度：低溫電流比較儀的準確度可達到1×10－11以上，但量子化霍爾電阻與l00Ω比較時的比例調(diào)整誤差達到1.2×10－5。補償后的殘余部分為10－9量級。 （2）隨機誤差：由于凍結(jié)磁通、液氦氣壓波動、SQUID器件發(fā)熱等因素引起的數(shù)據(jù)分散性為10－9量級。低溫電流比較儀本身的比例準確度很高?？蓛?yōu)于10－11量級。但這種比例只能是兩個整數(shù)之比（即初級與次級繞組的匝數(shù)之比）。而量子化霍爾電阻的國際推薦值為12906.4035Ω，與100Ω比較時需要129.064035∶1的準確比例。用兩個整數(shù)之比來逼近此準確比例時必然留下一定量的調(diào)整誤差。 課題研究中解決的幾項問題： （1）研究出了減少量子化霍爾電阻與100Ω比較時的比例調(diào)整誤差的方法，調(diào)整誤差已減少到5×10－7Ω（國際上為1.2×10－5Ω）。原則上還可進一步提高。 （2）把有用的信號強度提高了5倍，信噪比也得到了同樣程度的提高。 （3）設計并實現(xiàn)了一種特殊的插入式氣壓波動濾波器，可大大縮小由于氦氣壓波動而引起的隨機誤差。 （4）目前課題組在比較量子化霍爾電阻與100Ω時的準確度已進入10－10量級，傳遞到1n時的準確度為10—9量級，居國際領先水平。 由量子化霍爾電阻傳遞到十進標準電阻時的綜合不確定度；傳遞到100Ω為0.48×10－9Ω；傳遞到1Ω為0.72×10－9Ω。 2000年10月，日本電子技術綜合研究所（ETL）與我國計量院比對了電阻量值。結(jié)果表明，兩國由量子化霍爾電阻導出的112電阻量值的差別僅為1.3×10－9Ω，為公開發(fā)表的比對結(jié)果的最佳值。 韓國請中國專家在量子三角形研討會上作量子電阻標準報告，諾貝爾物理學獎獲得者崔琦教授來信向我們祝賀。 記者：請您談談量子基準的發(fā)展現(xiàn)狀。 張鐘華院士：7個基本單位：時間、長度、質(zhì)量、電流、溫度、光度、摩爾。 質(zhì)量單位千克目前是保存在BIPM的千克原器的質(zhì)量，是最后一個仍在使用的實物基準。如何用給定基本物理常數(shù)以重新定義質(zhì)量單位，已成為新世紀中對于計量科技工作者最大的挑戰(zhàn)。 目前的時間頻率單位是用133銫原子的超精細能級躍遷頻率來定義的。這是一種量子標準，但并未建立在基本物理常數(shù)的基礎上。如果將來發(fā)現(xiàn)別的躍遷頻率精度更高（例如可能是汞原子或鈣原子），就會出現(xiàn)是否要更改時間頻率單位定義的問題。所以，已有人提出，可以用給定黎德堡常數(shù)以重新定義時間頻率單位。 黎德堡常數(shù)的不確定度很小，為10－14量級。是除光速以外不確定度最小的基本物理常數(shù)，準確性遠遠高于其他的各種基本物理常數(shù)，在乎差時是作為無誤差常數(shù)輸入的。所以有可能用給定黎德堡常數(shù)以重新定義時間頻率單位，但目前這只是一種探討。 2l世紀內(nèi)最引人注目的工作將是建立量子質(zhì)量基準的工作。 但是，基本單位定義的更改是一件影響深遠的事，必須極為慎重。每一小點進步都需要付出長期的堅持不懈的努力。未來的國際單位制的建立將是一個漫長的過程。我們希望中國的科學家也能在此過程中做出自己的貢獻。 21世紀全世界的計量工作者將集中全力建立質(zhì)量的量子基準。目前正在進行的有3種方案。 第1種方案是把12C原子的質(zhì)量作為基本標準，通過對晶體中原子計數(shù)，過渡到宏觀質(zhì)量。 第2種方案是通過電功率天平把電功率與力學功率聯(lián)系起來，通過P＝mv的方程導出質(zhì)量標準。 第3種方案是把金的離子射線收集起來得到質(zhì)量標準，射線中的金離子個數(shù)通過測量金離子對應的電流來確定。 用測量阿伏伽德羅常數(shù)建立質(zhì)量自然基準的要點： （1）測出硅單晶的晶格常數(shù)； （2）數(shù)出一個硅單晶球體中的硅原子數(shù)目； （3）測出硅單晶球的質(zhì)量； （4）求出阿伏伽德羅常數(shù)； （5）建立基于硅原子質(zhì)量的宏觀物體的質(zhì)量自然基準。 目前，日本NMIJ、德國PTB、意大利INGC、澳大利亞CSIRO等國測量用同位素自然豐度制作的樣品，結(jié)果的重復性已達到3×10－7。 為了進一步減小同位素豐度對測量準確度的影響，日本已經(jīng)在進行用純28Si制作樣品的工作。目前純28Si單晶只能拉到200g，不夠制作樣品。預計兩年后可以做出5kg的純28Si單晶?？梢詮闹型诔?kg的球型樣品進行試驗。希望將阿佛加德羅常數(shù)測定的相對不確定度從目前的3.1×10－7到2006年達到6.9×10－8，到2009年達到2.1×10－8。 目前此方案最大的問題是所測得的結(jié)果與“電功率天平法”的結(jié)果相差了1×10－6。與會者認為可能存在系統(tǒng)誤差，最大問題可能是硅球的表面問題（表面氧化層、表面張力等等）。 記者：我國加入WTO后，在許多方面需要與國際接軌，請介紹一下計量檢測證書的國際互認問題。 張鐘華院士：1999年10月，在巴黎國際計量局37個國家計量院院長簽訂了計量檢測證書國際互認協(xié)議，并預定將于2003年10月正式生效。 119項關鍵比對及我國計量標準的現(xiàn)狀：1／3的項目狀況較好，在國際比對中合格； 1／3的項目需改造，改進后可參加國際比對； 1／3的項目為我國空白項目。 但電學量項目有80％為第一類，主要項目達到國際先進水平。 記者：中國計量科學研究院是國家最高的計量科學技術研究機構(gòu)，請您介紹一下計量院的定位和主要任務。 張鐘華院士：中國計量科學研究院是非營利、公益性事業(yè)單位，為政府和社會服務，保證國內(nèi)量值統(tǒng)一并與國際一致。 計量院有兩項主要任務： 其一包括：①計量科學的基礎研究（量子物理、自然基準、基本常數(shù)）；②測量和校準服務（長、熱、力、電、光、放、無、時頻、聲、化）；③測量技術和方法的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)讓、咨詢）。 其二包括：①國家計量基標準的研究、建立、運行、維護、完善和提升；②政府法律和法規(guī)的測量技術保證；③國際互認協(xié)議（MRA）、國際比對和合作；④質(zhì)量體系的運行、維護、完善和提升；⑤拓寬服務領域，與企業(yè)合作，促進其產(chǎn)品和技術的市場競爭力的提高。 記者：中國計量科學研究院昌平區(qū)實驗基地已開工建設，請介紹一下情況。 張鐘華院士：今年7月27日，中國計量科學研究院昌平區(qū)實驗基地開工建設。實驗基地占地面積55.3萬m2，建筑面積4.7萬m2。實驗基地建成后，將建立我國量子計量實驗室和超精密測量實驗室，大大改善科研條件。歡迎有志于獻身我國計量事業(yè)的青年人，到計量院來，參加計量技術的基礎研究，為計量發(fā)展做貢獻。