论量子计量的发展

摘 要：本文从课题研究的相关背景入手，首先阐述了已应用的电学量子基准，接着详细的分析了量子三角形，最后重点的研究了电学量子基准的新进展。

关键词：量子计量；电学；发展

中图分类号：TB9 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 04-0028-01

一、实践所用的电学量子基准

（一）量子电压基准。两个若耦合超导体，例如两个相隔的超导铅膜，在冷却温度低于其转变温度的情况下，用频率为f的微波辐射它们，那么其电流电压特性曲线上会呈现出电流阶梯，第n个阶梯的电压和辐射频率的关系如下[2]式中： （1）

式中：f―频率；2e/h――约瑟夫森常数Kj；h―普朗克常数；e―电子电荷量；n―整数。

这便是基本原理为约瑟夫森效应量子电压基准的物理特性。

成百上千个约瑟夫森结串联才组成了实际应用中的量子电压基准，进一步形成了如10V、1V等常用电压基准。

（二）量子电阻基准。高迁移率的二维电子气半导体器件，如砷化镓超晶格结构器件，在被冷却到零下272.15摄氏度（即1k）左右温度时，霍尔电阻的变化与磁场的强度有关。当磁场强度很强时，就有一些区域存在霍尔电阻随磁场强度变化的曲线上；当磁场强度变化时，这些区域以朗道能级完全充满的磁场位置为中心，在霍尔电阻――磁场曲线中呈平台状出现，此时霍尔电阻保持不变，这种现象称为量子化霍尔效应，由德国科学家冯.克里青于1980年首次发现，量子电阻的基本原理就是基于此。下式用于表示量子化的霍尔电阻Rh，在实际操作的情况下，常以i=2号量子平台作为基准，此时量子霍尔电阻Rh=12906.4035Ω，该量值通过精准度高的电流比较仪的数次传递传到1Ω实物基准，并以此给电阻工作基准提供来源方式[3]

二、量子电压的发展与走势

（一）新一代电压自然基准（可编程约瑟夫森电压基准）。可编程约瑟夫森电压标准就当前形式而言比较成熟，其不确定度在-量级，它采用新型SINIS结阵实现了输出电压的可任意设定目标。此外它避开了以往SIS结阵电压台阶跳跃甚至“混沌”的不足，集中了平台稳定、对串联阵列以二进制的形式分段的优点，是新一代电压自然基准。近几年来在全球范围内，美国最先组成了超难度的64000结的二进制串联阵列，解决了10V可编程约瑟夫森电压基准，不仅如此，他们还在积极致力于完成数十万的串联阵列的研究中。

（二）交流电压的量子溯源。关于可编程约瑟夫森电压标准：其一，通过分段控制结阵输出电压的方式在高速驱动电源的激励下合成动态电压信号；其二，通过分段控制结阵输出电压的方式实现交流电压的量子化溯源。现如今这样的实现方式有两种。

1.波形合成式。波形合成式的原理和数模转换DAC的方式相同，都是在程控高速驱动电源下是编程约瑟夫森量子电压合成正弦信号。

2.编码调制式或称为脉冲驱动式。与波形合成式不同的是，编码调制式是利用程控高速驱动电源，在通过滤波器后以编码的形式输出不同宽度的脉冲电压得到正弦波，从而达到交流量子电压基准。此前美国NIST已经达成了交流量子电压标准，证明该方式优点为能达到较高的频率。

三、结语

电学量子技术的发展揭示了：计量单位的复现由实物转向实验，其核心思想则以普朗克常数为代表的常熟取代了曾经以质量千克原器为代表的实物原器的地位。同时，在光速c、普朗克常数h、电子电荷e及波尔兹曼常数k、阿伏伽德罗常数等基本常数的基础上新的单位制，将由物理常数复现单位的来实现，这是国际计量技术的基本发展和必要走势。

参考文献：

[1]K.von Klitzing，G.Dorda and M.Pepper，Phys.Rev.Lett.45，494，1980.

[2]A.Hartland，et al，CONTEMP.PHYS.vol.29，NO.5，477-498，1988.

[3]B.Jeckelmann and B.Jeanneret，Rep.Prog.Phys.641 603-1 655，2001.