计量量子化、数字化变革下的国内外计量技术发展趋势

杜晓爽胡毅飞冯英强谌 贝曾 吾费 丰李 玮屠治国杨晓伟翟玉卫郝新友

（1.北京无线电计量测试研究所，北京 100039；2.航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095；3.中国电子科技集团公司第四十一研究所，青岛 266555；4.中国原子能科学研究院，北京 102413；5.北京东方计量测试研究所，北京 100086；6.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；7.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051；8.国防科技工业颗粒度一级计量站，新乡 453019）

1 引言

计量是构建一体化国家战略体系和能力的重要支撑，是科技创新、产业发展、国防建设、民生保障的重要基础。军工计量作为国防科技自主创新的重要力量，是军工产品量值的源头，也是国家计量体系的重要组成部分。目前，随着国际计量的量子化、数字化变革，计量标准器具量子化、量传方式数智化与计量保障技术实战化发展趋势凸显。

2 世界计量加速向量子化演进

计量量子化已进入一个全新的时代，量子化计量标准可随时随地复现更加准确、更加稳定的量值。新的量子技术不断涌现，核子钟、单能伽马射线产生、基于陷俘原子的微型透镜、冷原子超高真空传感器、量子功率、基于自旋电子学效应的微型太赫兹源、基于分离振荡场磁共振量子效应的磁探测等量子技术获得突破，将大幅度提高测量准确度和稳定性，不断推动新型量子传感器在计量基标准中应用。

2.1 基于轻元素的质子俘获产生单能伽玛射线诱发正电子寿命谱技术取得新进展

印度巴巴原子研究中心（BARC）与德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）采用19F（1H，α）16O 质子捕获核反应研究方案，在印度BARC 折叠串联离子加速器上以4 MeV 的质子束流轰击聚四氟乙烯靶，产生（6～7）MeV 的单能伽玛射线，射线束尺寸3.5 cm2×3.5 cm2，穿透深度达厘米级，灵敏度和重复性良好。以此在德国HZDR 的ELBE 直线加速器（LINAC）设施上，以厘米级尺寸金属和聚合物为基础材料，成功实现正电子湮没寿命谱测量，获得材料内部原子级别缺陷尺寸、浓度和类型的分析数据，测量原理示意图如图1 所示［1］。该技术可有效提升正电子谱学在大尺寸材料中原子级别缺陷及残余应力的探测分析能力。

图1 基于聚四氟乙烯靶的质子俘获产生单能伽马射线诱发正电子寿命谱测量示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement of positron lifetime spectra induced by single-energy gamma rays generated by proton capture based on PTFE target

2.2 基于量子效应的量热技术在放射性活度测量方面取得新进展

美国国家标准与技术研究院（NIST）与Losalamos 国家实验室合作，借助超导边缘传感器（TES）和磁性微量热仪（MMC）等超冷传感器对热脉冲的极高灵敏度，实行True Bq 计划，对放射性活度的关键参数实现量子化，并集成在芯片内［2］，如图2 和图3 所示。放射性核素可以通过它们的衰变能谱（DES）特征进行识别和量化，检测效率高，预计α衰变可达到100%。法国亨利贝克勒尔实验室（LNHB）和德国联邦物理技术研究院（PTB）联合研制的金属磁量热计，该装置采用两级超导量子干涉设备（SQUID），减少测量回路的热污染，可使探测器的温度稳定在7 mK，从而还原β 谱［3-7］。

图2 美国NIST 的True Bq 计划原理图Fig.2 Measurement outline of True Bq project by NIST

图3 MMC 内部结构示意图Fig.3 Schematic diagram of internal structure of MMC

2.3 实用化量子重力梯度仪面世

英国伯明翰大学研制基于量子传感器的重力梯度仪，可对垂直间隔1 m 的两个超冷铷原子云进行差分测量，获得当原子云落下时引力场的细微变化，从而获取高精度数据，其不确定度达到2E-8 s-2，同时使未来重力勘测速度提高10 倍［8］，如图4 和图5 所示。此款量子重力梯度仪是全球第一个能够满足现实场景挑战，并执行高空间分辨力探测的仪器，极大提高了地质地形图的测绘工作效率。

图4 量子重力梯度仪测量原理示意图Fig.4 Schematic diagram of measurement principle of quantum gradiometer

图5 量子重力梯度仪街区实地测试图Fig.5 Photograph of quantum gradiometer street field test

2.4 美国NIST 制造出陷俘原子的微型透镜

美国NIST 与美国天体物理联合实验室（JILA）的研究人员，在《PRX Quantum》期刊上发表论文《超表面透镜光镊中的单原子捕获》，首次证明单原子捕获可以通过一种新的小型化“光镊”系统实现，使用激光束来抓取原子。使用了一个长约4 mm 的方形玻璃片，上面印有数百万个高度只有几百纳米的“柱子”，它们共同充当了微小的透镜，可以聚焦激光，以捕获、操纵和成像蒸气中的单个原子［9］，其原理示意图如图6 所示。与普通光镊不同，超镜头可以在被困原子云所在的真空中进行操作，聚焦的光和单个原子之间的相互作用在多类型原子级实验中有应用前景。

图6 用光镊诱捕的超表面透镜原理示意图Fig.6 Schematic diagram of metasurface lens using optical tweezer trapping

2.5 基于金刚石氮空位色心的量子仪器研制成为热点

金刚石中的氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心在室温下显示出优异的光学性质与量子相干性质，可以用于测量磁场、温度场、微波场，是量子传感器领域的研究热点。NV 色心作为量子磁传感器，其突出的技术特点是可以实现较高的灵敏度。中国科技大学最新研究中实现0.2 pT／Hz1／2的磁场测量灵敏度［10］。NV 色心可稳定工作在低温4 K 到高温1 000 K 的环境中，并且其自身产生的磁场在距离10 nm 处时仅为1 μT，因此对样品的磁性特征几乎无干扰。国仪量子（CIQTEK）、日本堀场集团（HORIBA）、瑞士Qnami 公司等分别研制了基于金刚石氮空位色心技术的量子测量仪器，包括量子钻石原子力显微镜［11］、量子钻石显微镜［12，13］等，其实物图如图7 和图8 所示。其中国仪量子研制的量子钻石原子力显微镜空间分辨率可达（10～30）nm，灵敏度小于2 μT／Hz1／2。

图7 国仪量子研制的量子钻石显微镜实物图［12］Fig.7 Photograph of Quantum Diamond Microscope（QDM）by CIQTEK［12］

图8 HORIBA 和Qnami 联合研制的量子钻石显微镜实物图［13］Fig.8 Photograph of Quantum Diamond Microscope（QDM）by HORIBA and Qnami［13］

2.6 基于原子囚禁技术的小型化冷原子超高真空传感器取得新进展

美国NIST 于2022 年完成了小型便携式冷原子真空标准传感器研制及性能试验验证，其计算机辅助设计图如图9 所示。该传感器由碱金属原子源布散器（AMD）和芯片级衍射光栅磁光阱（MOT）真空测量室两部分组成，两者之间由长度2.67 cm、半径1.5 mm 的差分抽气管道相连，由均匀分布在测量室周围的6 组永久钕铁硼磁铁（N52 NdFeB）阵列产生的球形磁场俘获传感7Li 原子，磁场梯度为4.59 mT／cm，2 s 时间内MOT 能够俘获的原子数为1E5 个，关闭激光后四极磁阱中囚禁的原子个数为1E4 个。该传感器尺寸为15 cm ×35 cm ×50 cm，真空系统的容积约1.3 L。目前，该传感器能够测量的真空度下限为4E-9 Pa，不确定度为2.6%［14］。

2.7 基于单电子隧道效应的量子电流标准成为研究热点

德国PTB 设计的量子电流源，最佳测量不确定度1E-6；法国量子电流输出8 pA，不确定度4E-6。目前基于声表面波搬运单个电子原理，在300 mK 实现了千兆赫兹的工作频率，产生了nA 量级的量子化电流。同时，采用低温电流比较仪将小电流溯源至量子电流上的研究工作也在同步开展［15，16］，基于单电子隧道效应的量子电流标准原理图如图10 所示。

图10 基于单电子隧道效应的量子电流标准原理图Fig.10 Principle of quantum current standard based on single electron runnel effect

2.8 欧洲联合开展的量子电功率计量技术向实用化发展

德国、西班牙、意大利等国家计量院共同开展量子电功率计量技术研究，设计和实现面向实用化的量子功率标准系统，其原理如图11 所示。该系统可以产生幅度和相位可调的电压和电流信号，施加到被测试的功率表上，并且使用感应分压器进行电压转换，使用交流分流器把电流转换为电压。配备一个带有多路复用器的采样器，用于测量单次采样运行，通过对采样数据进行DFT 分析得到电压幅值和相位。由交流电压引入的不确定度优于0.4 μV／V［17］。

图11 德国PTB 量子电功率计量标准原理图［17］Fig.11 Principle of quantum power standard by PTB［17］

2.9 基于里德堡原子相干效应的微波功率测量技术取得新进展

美国NIST 开展了基于碱金属里德堡原子的微波功率测量方法研究，其原理如图12 所示。将玻璃泡囚禁的碱原子激励到里德堡态，利用里德堡原子的电磁诱导透明及Autler-Townes 效应（EIT -AT分裂）来进行微波功率的测量。由于具有丰富的里德堡态能级结构，通过激光调谐选择不同的里德堡态，可以实现覆盖100 MHz～500 GHz 频段范围内微波功率的精密测量［18，19］。该方法将微波功率量值溯源至原子能级跃迁相关的拉比频率测量，具有测量频段宽、灵敏度高、适用范围广等特点。

图12 基于里德堡原子的微波功率测量原理图Fig.12 Principle of radio-frequency measurement using Rydberg atoms

2.10 基于自旋电子学效应的微型太赫兹源取得新进展

德国哈勒大学和柏林自由大学研究人员提出了一种在片上实现定点辐射太赫兹电磁场的新方法。其将高功率飞秒光脉冲入射至磁性纳米结构上，激发铁磁材料内部的电子产生较强的自旋电流脉冲，再利用逆自旋霍尔效应将自旋电流转换成太赫兹电流脉冲，其微观结构及电测量波形如图13和图14 所示。通过与金属波导结构相结合，成功实现了带宽范围超过10 THz 的片上太赫兹源定点辐射［20］。该研究成果可推动基于量子理论的太赫兹校准装置片上集成。

图13 自旋电子学太赫兹辐射源芯片微观结构图［20］Fig.13 Experimental geometry for on-chip waveguide-based THz-pulse generation using spintronic THz emitters［20］

图14 时间分辨电测量波形图［20］Fig.14 Waveform of time-resolved electrical measurements［20］

2.11 光钟网络实现超稳定自由空间链路频率传递

澳大利亚西澳大学研究团队克服了自由空间大气湍流带来的相位噪声及振幅噪声的影响，构建了2.4 km 超稳定自由空间激光传递链路，并实现光钟频率传递，在300 s 积分时间内，频率稳定度可达6.1E-21［21］。该研究可应用于构建自由空间光钟网络系统。由于自由空间链路大气湍流情况与地对空链路近似，因此该研究也为未来机载、星载芯片光钟比对提供了技术参考。其链路示意图如图15 所示，蓝色线代表参考信号，红色线代表光学信号。

图15 超稳定自由空间激光传递链路示意图［21］Fig.15 Simplified schematic of the phase stabilization system integrated with the optical terminal［21］

2.12 芯片级激光器研制技术获得重大突破

哥伦比亚大学、上海交通大学以及塔夫茨大学的研究人员，共同设计出了一种全新片上集成芯片级激光器。该激光器真正实现了全模块的微型集成，在极低空间占有率的同时，能够大幅降低片上光源的设计成本。此外，该激光器也能够在（404～785）nm 波段内实现极快的调谐输出，输出功率为同类型研究的最佳水平［22-24］。激光器概念图、激光器结构示意图、谐振腔性能表征图、新型激光器的应用领域如图16 所示。

图16 片上集成芯片级激光器原理结构及预期用途图Fig.16 Principle structure and intended uses of chip-scale laser

2.13 约翰逊噪声测温标准芯片研制成功

美国NIST 研制了一款基于铌的约翰逊噪声测温（JNT）芯片，如图17 所示，该芯片具有10 个约瑟夫森结，可以产生具有兆赫兹带宽的伪随机噪声源，从中确定约翰逊噪声的热力学温度。采用被校准的电阻，通过测量约翰逊噪声的方法，能够用于研制精确的、适合在恶劣环境中应用的温度测量仪器，可以实现（100～1 000）K 测温范围内测量不确定度优于5E-5 的指标［25，26］。

图17 美国NIST 研制的约翰逊噪声测温芯片实物图Fig.17 Photograph of Johnson noise temperature measuring chip by NIST

2.14 基于分离振荡场磁共振量子效应的磁探测技术取得新进展

分离振荡场磁共振量子效应现已成熟应用于原子钟，使原子钟的秒稳定度提高到1E-16。近年来，欧美国家开始将该技术用于10 fT 级中子电偶极矩的测量。随着激光技术在光泵磁强计的应用，促进了基于分离振荡场磁共振量子效应磁探技术的发展。近年，由美国国防部和海军研究办公室资助，美国海军航空系统司令部（Naval Air Systems Command）、麻省理工学院等单位开展了基于分离振荡场磁共振量子效应的磁探测技术研究，研制了原理样机，并开展了环境磁场测量［27］，分离振荡场试验结果如图18 所示。

图18 分离振荡场试验结果图Fig.18 Results of separated oscillatory field

3 量传方式逐渐向数智化转型

近年来，国际上计量测试领域的数智化不断取得新的进展，美国NIST、德国PTB、法国LNE 等计量机构在数字证书、标准参考数据、人工智能评价、智能计量测试平台等方面研究进一步深入并已逐步投入实际应用；国外先进公司以具体的应用为背景，发展了基于人工智能算法、无人装备等的智能化测试技术，开发了一系列适用于不同工作模式的数智化产品，解决传统测量存在的难题。

3.1 智能化机器人放射性巡检仪及热点成像技术取得新进展

英国兰卡斯特大学研制了核设施退役用智能化中子、γ、β 射线巡检机器人Lyra，通过深度学习算法可自主规划路径并定位放射源和核材料，通过线性回归预测算法可实现辐射场热点分布预测，测绘范围22 m×22 m，测绘时间约1.5 h，辐射分布地图分辨率5 cm，如图19 和图20 所示［28］。该工作入选《时代周刊》杂志2022 年最佳发明。长期以来，遗留核设施的退役一直是核工业面临的挑战。Lyra智能机器人解决了退役场所源项调查中高放环境下人工测量的难题，并且通过智能化算法，可以绘制辐射区域热点分布图，未来在核设施退役领域具有重要前景。

图19 智能化中子、γ、β 射线巡检机器人示意图［28］Fig.19 Diagram of intelligent robot platform under neutron，γ and β ray［28］

图20 JSI TRIGA Mark II 反应堆空间分辨γ 辐射热点分布图［28］Fig.20 Spatially resolved γ radiation data overlaid on an occupancy generated through SLAM at JSI TRIGA Mark II reactor［28］

3.2 人工智能技术的计量测试体系不断完善

美国NIST 发布“人工智能风险管理框架（AI RMF）”，将可信度纳入人工智能产品、服务和系统的设计、开发、使用和评估等环节［29］，如图21 所示。德国PTB 聚焦人工智能可信性，并开展了重症监护人工智能系统的标准化质量控制、生物医学中机器学习模型解释的理论与实践、基于ML 的MRI 稳健量化、基于人工智能和蒙特卡罗方法的剂量预测不确定性研究等项目。德国PTB、英国NPL 等计量机构聚焦自动驾驶，提出现有的针对传感器的计量测试能力无法满足智能系统快速发展的需求，需从系统层考虑，进而为智能系统的发展提供技术支撑。

图21 美国NIST 人工智能风险管理框架图Fig.21 Diagram of AI risk management framework（AI RMF）by NIST

3.3 法国LNE 针对智能系统开发通用基准并推出针对人工智能的认证服务

建立的人工智能评估平台LEIA 可构建沉浸式测量场景，通过大量测试评估智能系统在受控环境中的反应，推出的“人工智能”认证涵盖所有人工智能系统，涉及系统整个生命周期中开发人员设置的所有流程，以确保经过认证的AI 系统都根据相关领域的技术规则进行过评估［30］，其原理示意图如图22 所示。

图22 法国LNE 的人工智能评估平台LEIA 原理示意图Fig.22 Schematic diagram of artificial intelligence evaluation platform LEIA by LNE

4 保障技术更加向实战化发展

国外军事计量测试技术呈现出面向实战化的发展特点。例如针对隐身战机、导弹的辐射特性参数、激光武器损伤特性参数、大型海军舰船用兆牛米级超大扭矩标准、飞秒激光标记示踪测速技术完成高超音速流场中边界层测量等方面涌现出新技术和新手段，为高超武器性能测试、隐形战机隐形导弹的攻防、激光武器损伤性能测试等武器装备发展发挥了重要支撑作用。

4.1 基于红外辐射特性测试评估的军事应用近年来发展迅速

目前，世界局势复杂，地区冲突频发。战争中对于隐身飞机的侦察和打击、导弹的预警和拦截，导弹的突防和隐身，都对其辐射特性的探测识别提出了迫切的需求。美国、俄罗斯、日本、加拿大等国家都建立了目标特性重点实验室，国外许多红外仪器公司也研制了用于发动机尾焰辐射特性测试的红外热像仪［31-36］，具有代表性的公司有加拿大Telops 公司、德国InfraTec 公司、美国FLIR 公司等，部分产品实物图如图23 和图24所示。

图23 加拿大Telops 红外热像仪实物图Fig.23 Photograph of infrared thermal imager by Telops

图24 德国InfraTec 线性高温计LP4 实物图Fig.24 Photograph of linear pyrometer LP4 by InfraTec

4.2 激光损伤计量技术成功应用于高能激光武器系统

在高能激光武器系统中要求光学表面的抗损伤阈值是一个非常重要的参数，决定了系统中元件材料的选用、镀膜方法、输出功率等。美国利夫莫尔实验室（LLNL）为美国国家点火装置研制了终端损伤在线测量系统。该系统主要包括望远成像仪、成像仪定位器、控制软件和光学检测分析软件四个部分，用做高能系统打靶后光学元件的常规测量，其原理如图25 所示［37-40］。

4.3 德国在超大扭矩计量技术方面处于领先地位

德国PTB 已拥有最大量程的扭矩标准装置为1.1 MN·m。目前，德国PTB 正在加紧研制5 MN·m扭矩标准装置，装置模型如图26 所示，这是目前国际上量程最大的一台超大扭矩标准装置。主要为了满足德国和欧共体等国家在大型涡轮涡扇装置和大型能量发生装置等的大功率动力装备的技术发展需求，解决超大扭矩的高准确度量值传递难题［41，42］。

图26 德国PTB 研制的5 MN·m 扭矩标准装置模型图Fig.26 Model graph of 5 MN·m torque standard machine by PTB

4.4 电子级超净间粒径谱仪校准装置研制成功

美国NIST 和日本国家工业科学技术研究院（AIST）已研制了气含纳米颗粒分析仪校准装置，如图27 所示，并建立了量值溯源体系［43］。该装置颗粒尺寸测量范围（20～100）nm，颗粒数量浓度范围（50～10 000）个／cm3（100 nm），能够保证电子级超净间空气洁净度监测结果的准确可靠和有效溯源。

图27 纳米颗粒分析仪校准装置实物图Fig.27 Photograph of nanoparticle size analyzer calibration device

5 结束语

通过搜集、整理国内外计量技术大量文献资料，基于金刚石氮空位色心的量子磁场测量、基于单电子隧道效应的量子电流标准成为研究热点，基于量子效应的量热技术在放射性活度测量、基于里德堡原子相干效应的微波功率测量、基于分离振荡场磁共振量子效应的磁探测技术取得新进展，小型化冷原子超高真空传感器、芯片级激光器、约翰逊噪声测温标准芯片等研制成功，应用于高能激光武器系统的激光损伤计量、军事应用的基于红外辐射特性测试评估技术向实用化发展，基于人工智能技术的计量测试体系不断完善。归纳并分析出计量技术逐步向量子化、数智化和实战化等方向的发展趋势，可为计量测试技术发展提供借鉴。