量子计量
从经典度量到量子基准的变革
诺贝尔物理学奖得主 John L. Hall 曾说：“计量学是科学之母。”“两弹一星”元勋王大珩先生也指出：“计量学是提高物理量量化精确度的科学，是物理学的基础与前沿。”测量技术的水平不仅关乎科学进步，更直接影响社会运行的秩序与国家的国际地位。早在公元前210年，秦始皇统一“度量衡”，就为中华民族千余年的繁荣与世界强国地位奠定了基石。自工业革命以来，欧美国家主导了现代计量基准与测量技术的发展，从而在全球贸易、科技体系与国际规则中掌握了核心话语权，广大发展中国家长期处于被动地位。
当前，我国在高精度计量基准与核心测量技术方面仍面临“卡脖子”困境，严重制约多行业自主创新与国际竞争能力。我们正处在国际计量体系发生历史性变革的关键时期——计量标准正逐步从基于宏观实物基准的传统体系，转向以基本物理常数和量子现象为核心的“量子基准”。量子计量将单位定义与基本物理常数关联，依托量子效应实现计量单位的复现，实现“测量即基准”，推动高精度、高可信、可溯源的量子测量方法成为计量学发展的主流方向。
图1. 量子计量的科学意义
热力学温度的光学精密测量
热力学温度的精确测量在科学研究、工业制造、航空航天等领域具有关键作用。自国际单位制开尔文定义由水三相点改为玻尔兹曼常数kB定义以来，多种绝对测温方法得以发展，如声学气体测温法（AGT）和约翰逊噪声测温法（JNT）。本课题组长期致力于量子计量核心技术攻关，自主发展了多种基于光谱学的热力学温度测量方法，包括多普勒展宽测温法（DBT）、谱线强度比测温法（LRT）以及气体折射率测温法（RIGT），形成了一套具有重要前景的光学测温技术体系。依托高精度腔增强光谱技术，我们搭建的光谱测量系统探测灵敏度达到10-12/cm（等效光程达数百公里），光谱频率精度达kHz级，光腔模式稳定度达亚Hz级别，并实现了mK级的腔体温控。基于该技术，预计可实现ppm量级的气体绝对温度测量。该方法不仅提供了一种新的高精度温度测量方案，还在分子碰撞理论、“禁戒”跃迁探测、气体痕量探测应用等方面展现出广泛潜力。
图3. 光谱学测量原理
气体压力（密度）的光学溯源测量
气压作为一个基础物理量，其精密测量长期以来依赖水银压力计和机械活塞压力计作为国家基准。近年来，光学真空计量技术的出现，标志着压力计量从实物标准向量子标准的重要转变。本研究组利用法布里-珀罗腔（Fabry–Pérot Cavity）实现对气体折射率的极高精度测量，进而反演得到气体密度与压力。我们成功研制国内首套基于光学原理的气压绝对测量实验装置，突破多项关键技术，包括激光频率精密锁频、腔体高稳定温控、光学频率精确扫描与定标等。该方法有望实现ppm级气压测量精度，未来可发展成为新一代气压国家基准，推动压力计量进入量子时代。
图4. 气体压力测量原理图
气体浓度的量子计量与标准传递
气体浓度计量旨在精确测定混合气体中特定组分的含量。这一看似简单的测量，实则深刻影响着环境监测、公共健康、工业生产与前沿科研等多个关键领域。例如在大气温室气体监测、同位素丰度分析、有毒有害气体预警、呼吸气体医学诊断等方面，浓度测量的准确性直接关系到政策制定、安全底线与科学可信度。传统的气体浓度计量主要依赖称重法配制标准气体，存在精度有限、量值传递复杂、难以实现国际比对等问题。本研究组创新提出了基于光谱学原理的气体浓度计量方法，将气体含量直接溯源至物理常数与分子基本参数，具备不依赖于实物标样、重复性好、精度高的显著优势。具体研究方向包括：开展CO、CO2等关键大气分子及其同位素吸收谱线强度与强度比的高精度测量；积极参与国际比对，推动建立可互信、可追溯的温室气体遥感数据模型；最终构建SI国际单位制溯源的新一代气体浓度标定技术与装备，服务国家双碳战略与大气监测重大需求。
图5. 气体计量的科学意义