浅谈电流计量单位的量子化进程

赵新华 孙永莉

（1.临沂市检验检测中心，山东 临沂276007；2.山东鲁南眼科医院，山东 临沂276003）

0 序言

第26届国际计量大会通过 《关于修订国际单位制（SI）的1号决议》，安培等4个国际单位制的基本单位被重新进行了定义，电流计量单位安培将用电子电荷e定义。国际单位制这次定义的改写是它创建以来意义最为重大的一次，这次变革使国际测量体系第一次全部建立在不变的物理常数上，将保持国际单位制的长期稳定性和客观通用性。

1 量子化之前的历史沿革

1.1 电流计量单位的最初定义

电流是电荷在导体中定向移动形成的。在1897年汤姆逊发现电子以前，电流的方向曾被规定为正电荷移动的方向。为纪念法国科学家安培，电流单位被命名为安培（A）。1881年巴黎第一届国际电学家大会决定增加电流为实用单位，它规定1伏特电势差加在1欧姆电阻上产生的电流强度为1安培。1893年芝加哥第四届国际电学大会上，为电流等实用单位规定了实物基准，它规定若恒定电流通过硝酸银溶液时，当1秒内有0.001 118克的银析出时的电流强度即为1安培。这是电流计量单位历史上第一次被称之为“国际”单位，但是由于这一单位制并不完备，所以它提出后并未得到世界的普遍认可。

1.2 电流计量单位的经典定义

1948年第9届国际计量大会决定正式废除国际电学大会制定的电流的“国际”单位，重新定义了电流强度的单位。电流强度的单位被定义为：在真空中相距1米的两无限长而圆截面可忽略的平行直导线内通过一恒定电流，若这恒定电流使得这两条导线之间每米长度上产生的力等于2×10-7N（牛顿），则这个恒定电流的电流强度就是1安培。但是上述理论定义在现实中无法复现，因为定义中的两根“无限长”的导线是无法实现的。

1960年10月第11届国际计量大会决定采用安培为国际单位制的基本单位。根据欧姆定律，同一电路中通过导体的电流跟导体两端的电压成正比，跟电阻成反比。对于电流、电压、电阻这三个电磁学的计量单位，只要有了两个，就可根据上述定律导出第三个。随着约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的出现，在很多计量基准的建设中，常利用约瑟夫森效应建立量子化电压基准，并利用霍尔效应建立量子化电阻基准，间接确立电流计量基准。1990年起国际计量委员会在世界范围内建议启用约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准，并给出了两种标准中涉及的约瑟夫森常数和冯克里青常数的国际推荐值，它所涉及的两个常数均与基本电荷量e有关。

1.3 基本电荷与电流

电荷的一个重要特性是它的量子性，任何带电体的电荷都是某一基本单位的整数倍。在各种带电微粒中，电子电荷量的大小是最小的。人们把最小电荷叫做元电荷，用符号e表示。1913年密立根用带电油滴实验测得e=1.6×10-19C。2002年电子电荷的测得值e=1.60 217 653×10-19C，不确定度为8.5×10-8。

物理学家库仑指出，若导线中载有1安培的稳恒电流，则在1秒内通过导线横截面积的电荷量为1库仑。根据I=Q/t，即1 A=1 C/s=n·e/s，所以1 A=（6.2 415 095×1018）×（1.60 217 653×10-19）C/s。

基本物理常数以其恒定性使其可以很好的定义基本单位，不断探索更精确更完善的常数定义基本单位是实现单位定义的基础。2005年起安培采用电子电荷（e）来进行定义。自2005年国际计量委员会起草了关于采用基本物理常数重新定义部分国际单位制基本单位的框架草案以来，随着测量的深入，在国际间共同努力下，基本电荷量e的量值也越来越精确。

2018年11月16日，国际计量大会通过决议，1安培被定义为1 s内通过（1 602 176 634）-1×1028个电子电荷所对应的电流。基本电荷e以单位C，即A·s，表示时，将其固定数值取为1.602 176 634×10-19来定义安培，即基本电荷的常数值e=1.602 176 634×10-19C，其不确定度优于2.2×10-8。

2 电流计量单位量子化的意义

国际单位制电流基本单位在这次改革中发生了重大变化，由原先的宏观物体和宏观物理现象进行定义，改为以量子理论为基础的物理方法得出基本物理常数进行定义。量子理论的研究已经表明，量子效应比宏观效应具有更好的不变性。基本物理常数测定值不确定度越小，由它定义的基本单位的准确度越高。电流计量通过使用目前已知的基本物理常数定义计量单位进而建立准确度更高的国际通用电流计量基准，为电流测量提供了全新的、更好的、统一的基础，将对电磁学计量体系产生重要影响。

在新的定义下，可以藉此致力研究量子电流标准。随着量子科学的兴起，通过生成可控电子的电流源可以更精确的定义安培。得益于量子科学的一个新兴领域——“电子量子光学”所进行的研究，单电子检测技术才得以实现。电子量子光学在纳米尺度系统中实现对电子的控制，这项技术为高性能量子计算机的突破贡献力量，它同样催生了基于单电子的量子电流计量基准的产生。量子电流计量基准利用半导体单电子泵做为产生精确电流的电流源。基于单电子隧道效应的单电子泵在导电的导电岛和隧道结间施加固定电压，在栅极上施加振荡电压。每一个激荡周期内经隧道穿过的电子数目通过测量栅极电压的振幅精确测量。振荡电压的幅值及频率可以精确测量。电流与振荡电压频率的关系可表示为：I=n·e·f。流过单电子泵的电流就可以由测得的电子数目与电子电荷量以及栅极电压频率的乘积得到。基于单电子泵的电流源可做成准确度极高的电流自然基准，可与约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准相互联系、互相验证，形成完备的基准体系，为直接复现电流单位安培提供基础。

电流计量单位的重新定义意义还在于可以满足国际单位制在全世界范围内准确使用的要求，支撑国际贸易、高科技制造业、人类健康与安全、环境保护、全气候研究与基础科学的发展，保持国际单位制的长久稳定性、内部一致性，便于以当前最高水平的自然理论描述并实际复现。

3 电流计量单位重新定义对今后的影响

国际单位制电流基本单位的重新定义，使电流计量从特定实物基准过渡到自然基准之上。安培的新定义只和一定时间内通过的电子数有关，并不涉及复现方式，只要具备复现条件的实验室均可复现，大大减少长链条量值传递造成不确定度增大。复现定义不再受时间、空间及人的因素的影响，不会随时间改变而变化，所复现的电流量值将具有高度的时间稳定性。自此以后，电流单位将更加统一可靠、稳定一致，准确度也将不断提高。

电流计量单位量子化以后，实现电流计量单位量值传递方式也将进一步扁平化。新的量值传递体系将会逐步改变过去的传递模式，使计量标准随时随地复现，变得效率更高。量值传递不再依赖单一基准，将来可以根据需要建设更多的高准确度的区域化计量中心进行量值传递溯源。利用量值传递扁平化的条件可建立起全新的测量体系。未来量子化的电流计量基准也可与新兴的5G等新技术结合，量值传递链条必将更短、实现的速度也更快、结果更准确。

随着国际单位制变革的深入，必将对技术进步、经济社会等产生深远影响。虽然目前我国的计量技术基础还比较薄弱，测量技术和相关仪器装备研究制造还相对落后，但是随着计量单位量子化后测量精度的提高，必将催生新的测量技术，引发技术创新，带动相关产业发展。未来的测量也可把最高测量精度直接赋予生产制造设备并保持长期稳定。今后必将出现能够保持长期稳定的标准，更利于获得可靠的测量数据，推动新一轮工业革命的进步。国际单位制实现量子化，新的测量方法和测量仪器将不断涌现，量子测量技术将不断发展，将促进计量技术的全面创新，持久地影响科技和社会的发展。