基于量子化、芯片化的先进计量测试技术发展动态

2021-01-14杜晓爽胡毅飞冯英强刘原栋吴爱华郝新友

宇航计测技术 2020年5期

杜晓爽胡毅飞冯英强杨军何巍费丰刘原栋蔡静林敏吴爱华郝新友谌贝刘杰

（1.北京无线电计量测试研究所，北京100039；2.计量与校准技术重点实验室，北京100039；3.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛266555；4.中国兵器工业集团第五三研究所，山东济南250031；5.中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京100095；6.中国原子能科学研究院，北京102413；7.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051；8.国防科技工业颗粒度一级计量站，河南新乡453019）

1 引言

计量是国家质量基础的重要组成部分，产品质量的提升离不开科学、精准的计量。工业发达国家极为重视计量测试技术的发展。分析国外先进计量测试技术发展动态与趋势，可为我国计量技术发展提供借鉴。

自2019年5月20日起，国际单位制（SI）发生重大变革，7 个基本单位全部由基本物理常数定义，从而以更高稳定性、复现不受时空约束等优势，满足人类在科学探索、技术发展等方面长远需求。国际单位制重新定义将导致“计量单位量子化”和“量值传递扁平化”，使全球测量体系发生重构，形成扁平化的溯源体系，对国家治理体系和人们的传统观念带来重大影响和挑战。

基于量子效应开展单电子隧道效应电流、石墨烯芯片电阻等计量研究，新概念核子钟的准确度和稳定性有望超越现有原子钟水平；碳纳米温度计趋于实用化，多层纳米膜厚标准样片研究取得新进展；太赫兹时域光谱测量、无线传输、通信质量评价以及散射参数校准等技术取得新突破；飞秒激光技术广泛应用于电场高精度时域测量、空间精密时频传递等计量领域，飞秒激光窄脉冲噪声特性计量技术得到发展；光钟芯片化研究进展迅速，芯片级计量技术应用领域向热学、力学、化学等专业扩展；石墨烯材料、红外探测技术在物理分离和成分测试应用方面取得进展；复杂电磁环境模拟、多域融合、空间环境等计量测试技术研究促进综合、现场、动态、特殊环境计量测试准确度的提升与测量效率的提高。

2 基于量子效应的计量技术发展迅速

美国是最早将量子技术列为国防与安全研发计划的国家。早在2002年，DARPA 就制定了《量子信息科学与技术规划》，并于2004年发布2.0 版。2007年，DARPA 将量子技术作为核心技术基础列入战略规划。2009年，美国国家科学与技术委员会（NSTC）发布出版了《量子信息科学的联邦愿景》，建议联邦政府加强对量子技术的控制和利用。为此，美国国家科学基金会专门建立了《量子信息科学跨学科研究计划》。2016年7月，美国NSTC 发布《推进量子信息科学发展:美国的挑战与机遇》报告，分析美国在该领域发展所面临的挑战与应对措施、以及联邦政府主要机构在量子信息科技发展领域的投资重点。作为NSTC 报告的补充，之后美国能源部发布了《与基础科学、量子信息科学和计算交汇的量子传感器》报告。2018年6月，美国众议院科学委员会高票通过《国家量子倡议法案》，计划在10年内拨给美国能源部、美国国家标准与技术研究所以及美国国家科学基金会12.75 亿美元，全力推动量子科学发展。

欧洲作为量子理论的发源地，高度重视量子技术对国家安全、经济发展等方面的影响。2005年，欧盟发布《欧洲研究与发展框架计划》（第七框架计划）并提出《欧洲量子科学技术》计划和《欧洲量子信息处理与通信》计划。2016年3月，欧盟发布《量子宣言》，旨在培育形成具有国际竞争力的量子工业，确保欧洲在未来全球产业蓝图中的领导地位。2018年，欧盟启动了斥资10 亿欧元的量子技术旗舰计划，聚焦量子通信、量子传感器、量子模拟器和量子计算机4 个细分领域。

英国也高度重视量子科学的基础研究工作。2015年，英国政府发布了《量子技术国家战略》和《英国量子技术路线图》，将量子技术发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位。此外，日本、韩国、新加坡等科技强国均发布了自己的“量子科学发展计划”，并将研究重点放在了量子通信、量子计算等领域。

量子计量技术是基于微观粒子量子态的精密测量，完成被测物理量的变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方面与传统计量技术相比有明显优势［1］。量子计量具有精度高、溯源性好、易实现芯片化等特点。随着量子计量技术应用的不断发展，直接嵌入到装备中的“芯片化”量子传感器已经显现了基本雏形，具有体积小、精度高、免标定等特点的量子传感器，可大幅提升整体装备性能。

以量子技术和基本物理常数为基础建立量子计量基标准，将大幅提高测量准确度和稳定性。量子技术不断推动计量标准的发展，冷原子技术应用从时频延伸到加速度和真空测量等领域；新概念核子钟将在准确度和稳定性方面超越现有的原子钟水平；单电子隧道效应实现了电流单位自然基准；石墨烯霍尔效应芯片应用于基标准成为国际热点。

2.1 核子钟研究获得突破

为了更深入开展暗物质探测、大地测量等基础及应用物理研究，科学家们提出了一种新型时钟，即基于原子核的新型核子钟。传统原子钟基于电子能级变换来准确测量时间，而新型核子钟基于229Th 原子核的新型核子钟，利用原子核能量状态的变换来准确测量时间。相比于原子中的电子，原子核质量大、体积小（约为原子体积十万分之一），结构更稳定，几乎不受外部因素的影响，远优于电子结构。根据预测，这种新型核子钟的频率准确度可达到1.5E-19。日本冈山大学（Okayama University）Masuda 所在团队实现了229Th 的激发及同质异能态229mTh 的产生［2］；德国科学家Seiferle 所在团队实现了同质异能态229mTh 到基态跃迁能量的测量，突破了对同质异能态的光学激发及测量研究，解决了同质异能态状态不明确难题［3］，为核子钟的进一步研发奠定基础。新型核子钟原理及实物如图1 和图2 所示。

图1 新型核子钟原理图Fig.1 Principle of new nuclear clock

图2 新型核子钟实物图Fig.2 Picture of new nuclear clock

2.2 汞离子微波频标搭载升空

2019年6月，美国喷气推进实验室（JPL）研制的深空原子钟（DSAC），即汞离子微波频标，利用SpaceX 的猎鹰重型火箭成功发射。此次发射主要目的是为验证汞离子微波频标的空间特性及确认其对深空探测的有效性。美国国家航空航天局（NASA）将监测它在离地球720km 高空环绕运行的情况，以期彻底改变深空旅行。汞离子微波频标比GPS 星载原子钟准确度提高了50 倍，有望应用于火星或者其他行星等遥远目的地的探测任务［4］。汞离子微波频标搭载实物如图3 所示。

图3 美国JPL 研制的汞离子微波频标搭载实物图Fig.3 Picture of mercury ion microwave frequency standard（DSAC） by JPL

2.3 量子电流标准研究取得新进展

美国国家标准与技术研究院（NIST）开展了Si基单电子隧道效应（SET）电流标准芯片的研究，目前处于试验阶段；欧洲国家计量机构协会（EURAMET）启动了新型量子电流标准的研制项目（SIB07），成功研制了量子电流标准装置，电流下限扩展至100pA，标准不确定度A 类分量达到1E-7量级［5］。项目研制的单电子源示意如图4 所示。

图4 EURAMET 量子电流项目的单电子源示意图Fig.4 Sketch diagram of single-electron by SIB07

2.4 碳化硅上的石墨烯芯片将应用于量子化电阻标准

美国NIST 和英国国家物理研究室（NPL）等科研机构基于石墨烯技术被新一代量子电阻标准被成功研制［6］，在碳化硅上制作石墨烯霍尔效应芯片，放宽了工作温度范围，利用小型制冷机实现无液氦低温技术，解决了传统材料被低温和振动指标所限的问题。复现电阻不确定度达到2E-8（100Ω～1kΩ），同时降低了量子化电阻标准装置的使用复杂度和限制条件。新一代量子电阻计量基准及两个位于碳化硅上的石墨烯芯片如图5 和图6 所示［7］。

图5 新一代量子电阻计量基准实物图Fig.5 Picture of new resistance metrology main standard

图6 制作在碳化硅上的石墨烯芯片实物图Fig.6 Picture of Carbon Si graphene on-chip

图6 中，上方是16 个小量子霍尔器件的阵列组合，下方只是一个器件。这些器件由无引线的芯片载体固定，可以安装在电路板上，便于使用。

2.5 室温下可预测量子效率探测器

德国物理研究院（PTB）联合芬兰、捷克和新西兰研究人员研制出一种工作于室温下的可预测量子效率探测器（RT-PQED），并经过线性、温度特性、入射角度、光谱、偏振依赖性和带宽依赖性等方面的测试。在可见光范围内，动态范围覆盖70μW/m2～40W/m2，噪声等效功率优于1E-10A/Hz1/2（@10℃）、相对扩展不确定度0.01%。与当前国际上广泛使用的低温辐射计为量值源头的传递链相比，是一种成本更为低廉、操作简单的校准装置。RT-PQED 结构示意如图7 所示［8］。

图7 RT-PQED 结构示意图Fig.7 Sketch diagram of structure of RT-PQED

2.6 突破基于超导量子干涉仪的高分辨γ 谱测量技术

德国海德堡大学（Heidelberg University）、美国劳伦斯国家实验室（Lawrence Livermore）开发基于超导量子干涉仪（SQUID）的X 射线、γ 射线能谱测量装置，突破mK 水平制冷、基于微机电系统（MEMS）制造的Au:Er 顺磁材料合成的传感器制备等关键技术，实现对约100keV 低能γ 射线的测量，能量分辨力优于0.1%，较传统高纯锗γ 谱仪提高近10 倍［9-13］。可用于核材料核查、中微子或暗物质测量等前沿基础研究领域。高分辨γ 谱仪探测器探头测量原理如图8 所示。

3 芯片级计量标准研究成为热点

随着美欧等发达国家持续推进新一轮工业革命，量子效应结合微加工技术实现芯片级的测量。芯片计量标准为新一轮以信息技术、大数据和人工智能为特征的工业革命插上飞翔的“翅膀”。通过嵌入芯片级计量标准，把最高测量准确度直接赋予制造设备并保持长期稳定，可以实现对产品制造过程的准确感知和最佳控制，有力支持流程再造、节能减排和质量提升等。芯片级计量技术在频率标准、膜厚标准等领域取得较大进展。

图8 高分辨γ 谱仪探测器的探头测量原理图Fig.8 Principle of high resolution probe for γ spectrometer detector

微纳尺度计量技术在科学研究、精密测量、智能制造等领域得到广泛应用。微纳尺度测量技术除纳米颗粒尺寸、定位领域外，在多层纳米膜厚标准样片领域取得较大进展。

3.1 光钟芯片化研究进展迅速

为提高原子钟集成度，推进光钟和新型微波钟的实用化水平，激光光路、原子气室芯片化研究正在积极开展。由美国NIST 牵头、多个科研机构参与的原子钟光子集成研究项目组，于2019年5月提出了一个光子集成的光钟架构，成功研制了778nm DBR 激光器、微加工铷泡及2 套微加工光梳，并做了初步的实验验证（由DARPA Atomic clock with Enhanced Stability（ACES）项目支持）。该实验利用铷原子双光子跃迁实现778nm 激光频率的锁定，通过光梳频率转换获得22GHz 微波信号，1s 频率稳定度达到4.4E-12，10 000s 频率稳定度达到2E-13［14］。芯片式光学频率梳原理及光子集成光钟系统如图9 和图10 所示［15］。

图9 芯片式光学频率梳原理图Fig.9 Principle of chip-scale optical frequency comb

图10 光子集成光钟系统图Fig.10 Photonic integrated optical clock system

3.2 平面型芯片级超导光辐射探测器研制成功

美国NIST 利用碳纳米管与硅微加工技术研制出一种平面型芯片级超导光辐射探测器，建立了结构紧凑、易于使用的光辐射校准系统，在单个探测器中实现了从紫外到太赫兹波段的辐射校准，波长范围覆盖（406～1 625）nm，光功率相对扩展不确定度达到0.012%@633nm。该新型平面型探测器可作为光功率标准，未来还将发展阵列型和面阵型超导探测器，用于光谱和成像应用［16］，其实物如图11所示。

图11 平面型芯片级超导光辐射探测器Fig.11 Picture of planar chip-scale superconductive optical detector

3.3 应用于光学传感的宽调谐硅上集成激光器

芬兰等国家相关研究团队研发了一种工作在2.35μm 波段的宽调谐硅上集成激光器，通过磷化铟（InP）基的二类量子阱外延结构被键合到硅基光波导上来实现片上集成的半导体光放大器，激光器的工作波长可以通过调节两个硅基微环滤波器的重合共振峰来控制，在连续波条件下具有超过30nm的可调谐波长范围，而在脉冲条件下可以实现50nm的调谐范围。该激光器基于可调谐激光吸收光谱技术，可用于在不同的吸收峰探测CO 气体，实验结果与传统数据库非常吻合，这表明该激光器适合在较宽波长范围内进行光学传感探测，另外还实现了中红外硅基光电子传感器所需的其他元件，如硅上集成的光电探测器和光谱仪。在未来的研究中，将采用硅上集成的中红外激光器进行多种痕量气体的同时探测。宽调谐硅上集成激光器原理如图12 所示［17］。

图12 宽调谐硅上集成激光器原理图Fig.12 Principle of widely tunable integrated laser on Si

3.4 半导体多层纳米膜厚标准样片取得突破

随着半导体产业的快速更新发展及新型高性能材料的不断涌现，对新型材料多层薄膜厚度的测量准确度要求越来越高，而薄膜的厚度直接影响器件的性能指标。美国NIST 开展了多层纳米膜厚标准样片的研究工作，采用多层膜厚标准样片对膜厚测量仪的准确性进行监控，进而保证工艺过程中多层薄膜厚度的准确，标准样片铬层的标称厚度达到53nm，镍层的标称厚度达到64nm，膜厚相对扩展不确定度达到3.3%，可用于对膜厚测量仪的准确度进行评价。多层薄膜标准样片截面如图13 所示［18］。

图13 多层薄膜标准样片截面示意图Fig.13 Sectional schematic diagram of multilayered thin film standard sample

4 太赫兹计量技术取得新进展

太赫兹技术在通信、安检、雷达、遥感等领域具有广阔的应用前景。近年来，随着太赫兹传输、通信、芯片等技术的不断成熟，相关评价、测量和校准技术研究与应用结合愈加紧密，太赫兹时域光谱测量、太赫兹场时域测量、太赫兹无线传输、太赫兹通信质量评价以及太赫兹散射参数校准等技术取得新突破。

4.1 基于新原理的太赫兹时域光谱测量方法不断涌现

太赫兹时域光谱测量系统是最为常用的太赫兹测量设备，常规实现方法有两种:一是使用锁模激光器与外部延时线，二是使用具有固定频差的两个锁模激光器。德国弗劳恩霍夫协会技术与经济数学研究所（ITWM）提出了一种基于新原理的太赫兹时域光谱测量方法，该方法采用单激光偏振控制光采样技术（SLAPCOPS），利用偏振复用的单激光器产生不同重复频率的脉冲序列，并结合常规的光纤耦合太赫兹装置，实现频谱宽度2.5THz、动态范围50dB 的时域光谱测量能力。该系统原理框图如图14 所示［19］。

图14 基于SLAPCOPS 技术的太赫兹时域光谱系统框图Fig.14 Block diagram of SLAPCOPS-based terahertz TDS system

4.2 基于电光取样的太赫兹场时域测量技术日趋完善

德国康斯坦茨大学（University of Konstanz）研究人员提出了一种电场共轭变量的时域测量方法。通过偏振椭球的变化，实现了由探测光和太赫兹场的非线性混频引起的偏振态测量，并利用空间分辨测量方法，深入分析了和频与差频过程对电光取样信号的影响。该方法结合λ/4 和λ/2 波片可实现电场及其共轭变量的实时精密测量。电场时域波形与电场变化测量结果如图15 所示［20］。

图15 基于电光取样的测量结果Fig.15 Measurement results based on electro-optic sampling

4.3 基于无线与光纤链路的太赫兹传输技术不断发展

高速数据传输需求推动太赫兹无线传输技术不断快速发展。日本大阪大学（Osaka University）提出一种太赫兹无线传输链路，能够直接与太赫兹光纤链路匹配，实现8Gbit/s 的零误码传输，并在载波频率0.33THz 实现高清无压缩4K 视频传输。该技术将为下一代通信系统的研制提供借鉴，同时在遥感、生物医学和安全等方面具有广泛的应用前景。太赫兹无线与光线链路原理及基于该原理的4K 视频传输系统如图16 和图17 所示［21］。

图16 THz 无线与光纤链路原理图Fig.16 Principle of terahertz communications with wireless and fiber links

图17 基于太赫兹无线与光纤链路的4K 视频传输系统图Fig.17 4K video transmission system based on terahertz communications with wireless and fiber links

4.4 太赫兹通信质量评价取得新进展

捷克计量研究院（CMI）和德国PTB 对300GHz数字通信传输系统的通信质量进行了评价。常用方法是使用矢量信号分析仪对系统输出调制信号的误差矢量幅度（EVM）进行测量，但受到仪器本身带宽的限制，结合数字实时示波器和数学处理技术，使对通信信号的分析能力超过了当前已有的矢量信号分析仪。该系统理论上传输带宽可达10GHz，除了对BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，64QAM，256QAM 等不同调制方式和信号符号速率进行评价之外，还对实时示波器测量得到的EVM 进行了测量不确定度分析评定。300GHz 通信系统测量系统如图18 所示［22］。

图18 300GHz 通信系统调制误差测量系统框图Fig.18 Measurement setup for the measurement of modulation error parameters in the 300GHz transmission system

4.5 S 参数计量技术在太赫兹等研究发展方向不断扩展

国际上S 参数计量技术主要沿着太赫兹、片上、非线性等方向发展。在太赫兹方向，主要开展校准方法和测量不确定度分析等研究，频率达到1.1THz；在片上方向，主要开展在片校准和在片负载牵引等技术研究，频率达到500GHz；在非线性方向，主要开展应用多谐波失真（PHD）模型、CM+模型提取非线性参数等技术研究，使放大器等非线性器件的测量建模更加精准，为芯片设计制造行业提供计量保障。在片S 参数散射校准系统如图19 所示［23］。

图19 在片S 参数校准系统图Fig.19 Picture of on-chip S parameter calibration system

5 先进材料分析技术应用领域不断拓宽

先进材料研制生产是先进工业发展的重要基石之一，其测试分析对于高性能材料的研制生产质量控制具有关键作用，发达国家高度重视对先进材料测试分析方面的投入，石墨烯、频率梳等研究已成为重点。近期国外科学家不断挖掘石墨烯材料、红外探测技术在其它非传统领域中的应用，在新材料物理分离和成分测试方面进行了有益尝试。

5.1 石墨烯用于离子物化特性测量

美国NIST 研究发现经过特殊处理后的石墨烯，可以形成一种具有冠醚微孔的石墨烯筛，此石墨烯筛具有高度的离子选择性和机械敏感性，可作为可调谐离子过滤器用于液体中的离子物化特性计量，未来还将应用于纳米级机械传感器、纳米级药物递送、前沿武器装备微处理器等尖端应用。其原理示意如图20 所示［24］。

图20 石墨烯用于离子计量原理示意图Fig.20 Principle of ion metrology based on grapheneembedded

5.2 利用红外频率梳测量生物特征

美国NIST 研制了一种紧凑型频率梳装置，可以快速测量整个红外光谱，以测量物质的生物、化学和物理特性［25］。研究人员采用双光梳采样法，通过近红外激光频率梳快速采样红外电场来实时检测信号，对单克隆抗体参考物质（一种超过20 000 个原子组成的蛋白质）进行了测量，测量示意图如图21 所示［26］。

图21 红外与近红外双光梳光谱仪测量生物分子特征示意图Fig.21 An MIR electric field induces a nonlinear polarization rotation（Infrared dual frequency comb electric field sampling）

5.3 成功研制宽分布单分散颗粒标准物质

美国Duke 科技公司采用聚苯乙烯与对苯二烯共聚的方法，在世界上首次成功研制了宽分布单分散颗粒标准物质，其颗粒尺寸范围（5 ～40）μm，颗粒尺寸分布CV 值5. 7% ～12%，扩展不确定度（0.3 ～1.5）μm，可解决激光散射颗粒测量仪器分辨力较差、误差较大等问题，将用于校准基于光散射、声学成像、电荷位移等测量原理的颗粒度测量仪器。Duke 2000 标准物质如图22 所示［27］。

图22 宽分布单分散颗粒标准物质示意图Fig.22 Particulate reference material of broad distribution monodisperse

5.4 光粒子陷阱技术可实时侦检毒剂

美国国防威胁降低局（DTRA）开发了光粒子陷阱（OPT）技术，在此基础上，美国陆军研究实验室（ARL）和美国桑迪亚国家实验室（SNL）成功研制OPT 装置，利用光辐射压力和光波力在粒子穿过装置时稳定粒子，并对单束激光捕获的空气悬浮微粒快速成像。在捕获和测量过程中，反向散射随着粒子的大小、形状、表面粗糙度和运动方向而改变，弹性光散射对单个气溶胶颗粒复杂折射率和表面粗糙度等特性敏感，颗粒尺寸下限达到（10 ～15）μm，目前仍在测试阶段。在不同环境因素（如高湿度和大气中的有机碳浓度）对特定类型气溶胶粒子影响的分析研究也在进行中。将应用于空气中快速捕获和识别单种有毒粒子，特定类型气溶胶的实时、现场识别［28］。光粒子陷阱技术示意图如图23 所示［29］。