让世界更精确

　　你知道为什么全世界关于1千克的标准都是一样的吗？你知道如何保证这台秤测量出的1千克与另一台秤测量出的1千克完全是等量的吗？要保证测量数据的准确，就需要将测量数据溯源到计量基准。计量基准精确到什么程度直接影响着国家科技、国防、经济、贸易等方方面面的发展。在国家“十一五”科技计划中，主要由中国计量科学院承担的《以量子物理为基础的现代计量基准研究》项目，一经公布便受到社会各方的广泛关注。这是一项完全需要自主创新的国际前沿研究项目。中国计量科学研究院院长童光球在谈到该项目的重要性时说：“如果这个项目能够研究成功，中国的计量科学研究水平在国际上的地位就可以由现在的第二团队跨入第一团队。”

　　从实物基准到量子基准

　　计量科技工作的主要任务是根据我国经济和社会发展的需要不断提高国家计量基准的测量准确度和稳定性，以带动国家整体计量基标准体系技术水平和测量能力的提高。

　　“随着国民经济的快速发展，社会对计量提出了越来越高的要求。一方面要求增加测量种类，另一方面就是提高测量准确度。”童光球认为这是《以量子物理为基础的现代计量基准研究》这一课题体现的社会大背景。

　　20世纪上半叶以前，基本单位的量值由实物计量基准复现和保存，也就是根据经典物理学的原理用某种特别稳定的实物来实现。尽管这些实物基准是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的最好的材料及工艺制成，在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求。但是，这样的实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它们所保存的量值也会有所改变。同时，最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因此中断。由于量值传递检定系统庞大繁杂，从最高等级的实物基准到具体应用场所，量值要经过多次传递，准确度也必然会有所下降。

　　传统的量值传递检定系统日益不能适应需要。20世纪下半叶以来，与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现，为解决以上问题提供了全新的途径。量子计量基准的准确度一般要比实物计量基准高几个数量级。它是一种物理实验装置，可以在多处建立。不会有一旦损坏不能准确复现的问题。按照相同原理建立的量子计量基准，所复现的量值也相同，避免了计量基准的量值多次逐级传递而造成的一系列问题。因此，以量子物理为基础的量子基准代替实物基准已成为当今计量科技和基准发展的重要趋势。

　　“国际单位制的重大变革是我们从事量子基准研究的另一国际大背景。”童光球介绍，2005年6月29日，国际计量局组织建议对现有的国际单位制定义进行重大改革，即将国际单位制中质量、电流、温度和摩尔四个基本量定义在基本物理常数上，并以量子计量基准装置加以实现，形成相应的国家量子计量基准。“现在，世界各国都在进行量子计量基准研究，谁最先研究成功谁就能占领计量领域的制高点。”童光球说，“要想在这场国际计量领域的前沿竞赛中，中国不落后，并处于领先地位，那我们就必须加紧建立自己的国家量子计量基准。否则我们的计量基准只能溯源到国外，那我们就只能受制于别国，国家主权也就无从谈起。”

　　高举自主创新的旗帜

　　《以量子物理为基础的现代计量基准研究》共包括9个子课题，其中8个由中国计量科学研究院负责完成。项目研制的内容包括量子质量基准、交流电压基准、电容基准、热力学温度基准、光辐射量子基准、固体密度基准、同位素丰度基准、纳米尺度基准8个方面的具有国际先进水平的量子自然基准，同时也将进行普朗克常数、精细结构常数、玻尔兹曼常数、阿伏加德罗常数的精密测量工作，涉及电学、热工、光学、力学、化学等多个学科领域。

　　作为我国最高的计量科学研究中心和法定计量技术机构，中国计量科学研究院在国际计量领域代表着中国计量科学研究与应用的最高水平。近年来在量子研究方面积累的经验让中国计量科学研究院具备了良好的研究基础。“能够一举拿下这个项目让我们全院都很兴奋。”童光球作为该项目的总负责人，每当谈起该项目，感到责任重大。

　　童光球说，由于量子计量基准的研究在全世界也是非常前沿的尖端课题，而且各国都在一边摸索一边前进，很少能有现成的经验可以借鉴。“那就意味着，我们必须通过自己的原理创新和技术创新，设计严密的技术方案和组织实施方案。”中国计量科学研究院承担的8个子项目在具体的实现方法上都是需要自主创新的。

　　例如，被全世界公认为最难测量的普朗克常数的测量也是本次项目的子项目之一。国际上现已有5个国家在进行该项测量，研究了20多年，但始终没有太大进展。“5个国家都采用了同一种方法，即电功率方法。我们在设计技术方案时，大胆决定采用一种全新的无人尝试过的能量天平的方法。这个方法从原理到仪器设施完全都要依靠我们自己来解决。”

　　再如，子项目《精细结构常数测量关键技术研究》中，要采用计算电容的原理来测量。在减少计算电容误差方面，国际上常用的是机械调整的方法，而中国计量科学研究院的研究者们准备采用一种更精细、更准确，但同时也是难度更大的电调整方法。

　　童光球认为，该项目对计量院的意义也非同寻常。他说：“以《以量子物理为基础的现代计量基准研究》为代表的一批重大项目的开展使中国计量科学研究院由以前的有限跟踪、比较被动的研究形态转变成了全面自主创新的主动形态，这对计量院来说是一个新的转折。”