計量是人類認識物質世界的工具，與我們每一個人的生活都息息相關。計量工作的目的在于保證測量數據的準確性。要做到這一點，就需要測量數據溯源到計量標準。在2006年立項的國家科技支撐計劃中，由中國計量科學院承擔的“以量子物理為基礎的現代計量基準研究”項目，一經公布便受到社會各方關注。 
     作為我國計量學領域的專家，張鐘華院士對此認為，“過去我們希望通過市場換技術，但不是很成功。現在我們提出要自主創新；要創新，就必須有準確的數據。所以計量工作才引起大家重視，這也是國家發展到一定階段的必然選擇”。 
     日前，張鐘華院士就“以量子物理為基礎的現代計量基準研究”項目的立項情況，以及我國計量測試技術的進一步發展等問題接受了本刊記者采訪。 
    《中國科技成果》：2006年，“以量子物理為基礎的現代計量基準研究”項目被國家科技支撐計劃批準立項，項目所體現的社會背景是什么？ 

     張鐘華：目前我國的經濟總量已經達到了相當的規模（世界第4或第5），但是以大量消耗能源和原材料為主的初級生產，造成了嚴重的環境問題和生態問題。中央提出要在我國建設“創新型國家”和“節約型社會”，一方面要提倡創新，增加我國產品的技術含量；另一方面要千方百計節約資源消耗。創新和節約資源與計量均有極為密切的關系。因為要開展創新和節約資源工作，首先必須有準確的測量數據，而不準確的數據會引起誤導。各種可能方案的比較，也要以準確的測試數據為依據。 
     其次，20世紀下半葉以來，人類開始進入了信息化社會。信息化的三要素是：信息的獲取（計量測試）、信息的傳輸（通訊技術）、信息的處理（計算技術）。如果在第一環節——“信息的獲取”方面出了差錯，下面的“傳輸” 和“處理”環節就不能得出正確結果。計量測試是保證人們獲取正確信息的手段。著名科學家錢學森院士明確指出：“信息技術包括測量技術、計算機技術和通信技術。測量技術對信息進行采集和處理，是信息技術的源頭，是關鍵中的關鍵。”王大珩院士說：“計量測試和儀器儀表技術就是信息技術的組成部分，而且是不可或缺的重要組成部分。作為對信息進行采集、測量、處理和控制的重要基礎手段和設備，廣泛應用于國民經濟各行各業。”計量是可以溯源到標準量的測量，從而保證了測量數據的準確性。準確的測量數據不僅給出了數量依據，而且給出了內涵豐富的信息。 

     《中國科技成果》：隨著人類社會的變遷，計量測試技術的發展也經歷了漫長的階段，請您談一談計量工作的發展過程。 

     張鐘華：在社會的發展過程中，計量工作經歷了以下階段：第一階段：農業社會。計量工作主要是為了適合農業社會中農產品和生活用品貿易的需要，標志性的成果是在一定范圍內統一度量衡，測量準確度達到百分之一到千分之一（10-2到10-3量級）；第二階段：工業社會。工業生產中的互換性要求，對工作的加工精度提出了更高要求；隨著科學研究的深入對精密儀器提出了需要，測量準確度要達到萬分之一到億億分之一（10-4到10-16量級）；為適應大規模工業生產提出的要求，生產過程中要求進行精密測量，自動化生產要求在線的、快速的測量設備。第三階段：全方位計量測試階段。進入二十一世紀，除了計量測試準確度外，基本計量測試工作幾乎滲透到各個領域，例如生物醫療、環境保護、國防和社會安全、安全檢測等方面，都需要準確度更高的精密測量設備。 

     《中國科技成果》：縱觀計量學的發展歷程，計量基準大致可分為實物計量基準和量子計量基準。請問實物計量基準和量子計量基準有什么不同？ 

     張鐘華：20世紀上半葉以前，基本單位的量值由實物計量基準復現和保存。實物基準一般是根據經典物理學的原理，用某種特別穩定的實物來實現。例如一個保存在巴黎國際計量局（BIPM）的鉑銥合金圓柱——千克原器砝碼的質量就定義為質量單位千克，按X型鉑銥合金米尺的刻線間距離定義長度單位“米”，用一組飽和式韋斯頓標準電池的端電壓的平均值保持電壓單位伏特，用一組標準電阻線圈的電阻平均值保持電阻單位歐姆等等。實物基準存在以下局限性： 
     （1）最高的計量基準為某種實物，就有其固有的缺點。盡管這些實物基準是用19世紀末20世紀初工業界所能提供的最好的材料及工藝制成，在當時也滿足了對于計量基準的準確度及穩定性的要求。但是，這樣的實物基準一旦制成后，總會有一些不易控制的物理、化學過程使其特性發生緩慢的變化，因而它們所保存的量值也會有所改變。如鉑銥合金千克砝碼原器，會緩慢地吸附在其表面及內部的氣體、表面沾上的微塵、甚至多年使用中形成的磨損及劃痕均會使其質量發生變化，而且這種逐年積累變化的準確數量也很難確切查明。 
     （2）最高等級的實物計量基準全世界只有一個或一套，一旦由于天災、戰爭或其他原因發生意外損壞，就無法完全一模一樣地復制出來，原來連續保存的單位量值也會因此中斷。    

     （3）量值傳遞檢定系統龐大繁雜，從最高等級的實物基準到具體應用場所，量值要經過多次傳遞，準確度也必然會有所下降。 
     上述問題已經使傳統的量值傳遞檢定系統日益不能適應需要。20世紀下半葉以來與傳統的實物基準完全不同的量子計量基準的出現，為解決以上問題提供了全新的途徑。量子計量基準的優點是：  
     （1）量子計量基準的準確度一般要比實物計量基準高幾個數量級。 
     （2）它是一種物理實驗裝置，可以多處建立。不會有一旦損壞不能準確復現的問題。 
     （3）按照相同原理建立的量子計量基準，所復現的量值也相同，避免了計量基準的量值多次逐級傳遞而造成的一系列問題。 

     《中國科技成果》：目前量子計量基準的研究進展？ 

     張鐘華：目前已建立的量子計量基準總是伴隨著某一種具體的量子物理手段，從而定義了一種基本單位。如果此種手段有了新的發展，人們就會面臨著是否要改變基本單位定義的問題。例如，現在的時間（頻率）單位是用銫原子的超精細能級的躍遷頻率定義的。如果發現了其他復現性更好的躍遷頻率（目前的候選者有鈣原子、激光等），時間（頻率）單位的定義就有可能改變。但是，單位定義的改變影響面很大，頻繁地改變單位定義是人們所不希望的。因此，人們就開始探索更為穩定化的單位定義方法。 
     從目前的物理學知識來看，基本物理常數（如真空中光速c、普朗克常數h、電子電荷e等）是不變的，有最好的穩定性。如果能把基本單位用基本物理常數定義，基本單位的定義將能長期保持穩定。復現基本單位的具體技術手段可以隨著科學技術的進步而不斷與時俱進，但基本單位的定義可以無需更改。這樣的基本單位制將更加科學，也可在更長的時期內為人們服務。 
     因為基本物理常數有幾十個，彼此之間有各種各樣的方程式互相聯系。基本物理常數工作組定期（大約幾年一次）對國際上發表的基本物理常數SI值的測定結果進行評定，并用最小二乘法對發表的基本物理常數SI值進行平差，得到一組基本物理常數的最佳推薦值，供各有關方面使用。最近兩次基本物理常數的平差是1998年和2002年進行的。 
     （1）1982年把長度單位定義成真空中光在（1/299792458）秒中走過的距離，就是把長度單位用真空中的光速和時間頻率標準來定義。這是在此方向跨出的第一步。 
     （2）1988年國際計量委員會又建議用約瑟夫森量子電壓標準和量子化霍爾電阻標準代替原來的電壓、電阻實物基準，等效與用普朗克常數h、電子電荷e和時間頻率標準復現電壓和電阻單位。這又是在用基本物理常數定義單位的方向上的大跨步。 
     （3）在溫度單位方面，也正在試探用波爾茲曼常數k定義溫度單位開爾文的可能性。 
     （4）目前的時間頻率單位是用現代最準確的銫噴泉原子鐘，3000萬年誤差1秒。  
     《中國科技成果》：您研制的量子化霍爾電阻量值傳遞到100Ω的低溫電流比較儀的測量不確定度達到10-10量級，用量子化霍爾效應建立了國家電阻標準。請介紹一下這方面的情況。 

     張鐘華：1990年1月1日起，按照國際計量委員會的建議，已在世界范圍內啟用了量子化霍爾電阻自然基準代替原有的電阻實物基準。現已有BIPM及美、英、法、德、日、瑞士等國家級實驗室建成了此項量子基準。加拿大、澳大利亞、韓國、臺灣、香港、新加坡、南非等國家和地區也正在積極建立這種基準。 
     我國建立電壓量子基準的工作已完成。現在需要建立量子化霍爾電阻自然基準與之配套，導出SI單位制中電學量基本單位電流和實用中最為廣泛的功率、電能的單位，以適應我國加入世貿組織以后檢定結果國際互認的要求。 
     1988年9月在巴黎舉行的國際計量委員會電咨詢委員會（CCE）第18次會議上，綜合了各國用“可計算電容法”求得的h/e2以及用量子電動力學實驗求出的α這兩種不同類型的各次實驗結果，給出了RH的國際推薦值Rk＝25812.807Ω，即i＝l時的RH值。i＝2的平臺處的量子化霍爾電阻值為RH＝h/（e2）＝25812.807/2Ω＝12906.4035Ω。  
     我介紹一下一些正在建立量子化霍爾電阻標準的國家和地區的情況： 
     澳大利亞：已進行多年，可用電阻網絡把量子化霍爾電阻的量值傳遞到1Ω，準確度為10-8量級。但建立低溫電流比較儀的工作尚未完成。 
     意大利：與澳大利亞相似。 
     韓國：用磁放大電流比較儀把量子化霍爾電阻的量值傳遞到1Ω，準確度為10-7量級。建立低溫電流比較儀的工作尚未完成。 
     我國臺灣地區：已建立低溫電流比較儀，但只能手動操作，準確度為10-8量級。 
     新加坡、香港特別行政區、挪威、南非、斯洛伐克，購買了牛津儀器公司的低溫電流比較儀，但均未能正常工作。由于質量不過關，牛津儀器公司的低溫電流比較儀已停產。 
     丹麥：建立低溫電流比較儀的工作未完成，欲與中國計量科學院合作。  
     用電阻網絡來傳遞量子化霍爾電阻的量值時，步驟多、準確度較低。20世紀90年代以后，各國發展了用低溫電流比較儀傳遞量子化霍爾電阻的量值的新方法，準確度提高了一到兩個數量級。1997年中國計量科學院在世界銀行貸款項目的支持下，啟動了用低溫電流比較儀傳遞量子化霍爾電阻的量值的新課題，課題完成后大幅度提高了我院量子化霍爾電阻基準的準確度，達到10-10量級。按目前已發表的資料來看，中國計量科學院量子化霍爾電阻基準的準確度已位列世界第一。 
     目前國際上低溫電流比較儀遇到的主要問題有： 
     （1）準確度：低溫電流比較儀的準確度可達到1×10-11以上，但量子化霍爾電阻與l00Ω比較時的比例調整誤差達到1.2×10-5。補償后的殘余部分為10-9量級。 
     （2）隨機誤差：由于凍結磁通、液氦氣壓波動、SQUID器件發熱等因素引起的數據分散性為10-9量級。低溫電流比較儀本身的比例準確度很高，可優于10-11量級。但這種比例只能是兩個整數之比（即初級與次級繞組的匝數之比）。而量子化霍爾電阻的國際推薦值為12906.4035Ω，與100Ω比較時需要129.064035∶1的準確比例。用兩個整數之比來逼近此準確比例時必然留下一定量的調整誤差。 
     課題研究中解決的幾項問題： 
     （1）研究出了減少量子化霍爾電阻與100Ω比較時的比例調整誤差的方法，調整誤差已減少到5×10-7Ω（國際上為1.2×10-5Ω）。原則上還可進一步提高。 
     （2）把有用的信號強度提高了5倍，信噪比也得到了同樣程度的提高。 
     （3）設計并實現了一種特殊的插入式氣壓波動濾波器，可大大縮小由于氦氣壓波動而引起的隨機誤差。 
     （4）目前課題組在比較量子化霍爾電阻與100Ω時的準確度已進入10-10量級，傳遞到1Ω時的準確度為10-9量級，為國際領先水平。 
     由量子化霍爾電阻傳遞到十進標準電阻時的綜合不確定度：傳遞到100Ω為0.48×10-9Ω；傳遞到1Ω為0.72×10-9Ω。 
     2000年10月，日本電子技術綜合研究所（ETL）與中國計量科學院比對了電阻量值。結果表明，兩國由量子化霍爾電阻導出的1Ω電阻量值的差別僅為1.3×10-9Ω，為公開發表的比對結果的最佳值。 
     韓國請中國專家在量子三角形研討會上作量子電阻標準報告，諾貝爾物理學獎獲得者崔琦教授來信向我們祝賀。 

     《中國科技成果》：我國加入世貿組織后，在許多方面需要與國際接軌，請介紹一下計量檢測證書的國際互認問題。 

     張鐘華：我國加入世貿組織后，所涉及的就是非貿易壁壘及技術壁壘TBT問題，一旦我們的計量研究達到國際先進水平，這將有力地促進我國計量檢測證書在國際上的互認。 
     1999年10月，在巴黎國際計量局37個國家計量院院長簽訂了計量檢測證書國際互認協議，2003年10月正式生效。 
     119項關鍵比對及我國計量標準的現狀： 
     1/3的項目狀況較好，在國際比對中合格； 
     1/3的項目需改造，改進后可參加國際比對； 
     1/3的項目為我國空白項目； 
     但電學量項目有80%為第一類，主要項目達到國際先進水平。