分享一件专利：基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法

缪培贤（兰州空间技术物理研究所）

背景技术：

进入21世纪以来，约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的发现推动了量子电压基准和量子电阻基准的建立，可从欧姆定律导出电流单位，从而实现间接的量子电流{参考文献：张钟华，展望21世纪的电磁计量[J].测控技术，2002，21：17-22}。利用原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，该磁场值与标准线圈中的量子电流值（由量子电压与量子电阻的比值确定）呈线性关系，可将线圈系数溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应三种量子自然基准，原理上能实现基于量子自然基准的电流的计量。将载流标准线圈中的电流锁定至碱金属原子磁共振塞曼跃迁对应的拉莫尔进动频率，通过严格控制实验装置的物理环境可实现低漂移的恒流源功能，是一种可行的量子电流基准装置的建设方案。上述电流计量的方案仅限于恒定电流，不涉及交变电流。稳定的正弦交变电流具有三个参数：振幅、频率和相位，其中频率很容易溯源至以铯原子钟为代表的量子自然基准，然而还未见有文献或专利报道将正弦交变电流的振幅和相位溯源至量子自然基准。

进入21世纪以来，量子信息技术在国内外蓬勃发展。量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科，其物理基础被认为是量子态的叠加性、量子非局域性、量子不可克隆定理{参考文献：郭光灿，张昊，王琴.量子信息技术发展概况[J].南京邮电大学学报(自然科学版)，2017，37(3):1-14}。磁共振塞曼跃迁也属于一种量子跃迁，射频场的振幅和相位与磁共振塞曼跃迁的内态演化过程有紧密的联系，而射频场可由正弦交变电流通入线圈产生。因此，通过深入研究磁共振塞曼跃迁的物理过程，可将正弦交变电流的振幅和相位溯源至量子自然基准，而相关理论和实验技术有助于分析和验证量子信息技术的物理基础。

本次分享的发明专利提供了一种思路，可用于正弦交变电流的测量，且重复测量实验可用于评估电流源的精度，详见参考文献[1]。

列出发明专利中的部分实验结果：

图2a 抽运光关闭后射频场作用0.5 ms时原子磁力仪在x轴方向输出的部分差分放大信号

图2b 抽运光关闭后射频场作用30 ms时原子磁力仪在x轴方向输出的部分差分放大信号

图3b 10次重复测量的截取信号的实验数据

图6 对图3b中的一条数据曲线拟合得到的结果

图7 在设定不同初始相位的射频脉冲信号时抽运-检测型原子磁力仪x轴方向输出的差分放大信号

表1 10次重复测量的实验曲线的拟合结果（f₀的相对标准偏差与电流源的精度有关）

由本发明专利想到的三个科学问题：

 1、如何定义量子自然基准？

 2、约瑟夫森效应与天然的自然基准有何区别？国内如何获得话语权？

 3、能否基于现有工业基础水平和具体实验技术重新阐述“不确定性原理”？

 问题说明：

问题1：拉莫尔进动可被认为是一种天然的自然基准，可从经典物理推导出来，质子或原子的磁矩绕外磁场进动的拉莫尔进动频率与外磁场的大小有关，拉莫尔进动频率与具体的原子结构有关，表现在不同原子的旋磁比不同，但它们的旋磁比最终可通过实验溯源至质子旋磁比。拉莫尔提出这种物理效应时，量子概念还没有出现，把这种物理效应当做量子自然基准，实际上是不恰当的。那么，如何定义量子自然基准呢？

问题2：约瑟夫森效应是基于人造器件发现的一种量子化现象，这种物理现象需要向约瑟夫森结馈入微波，那么微波频率与约瑟夫森结的结构有什么具体的联系呢？选用不同尺寸、不同材料、不同工艺的约瑟夫森结，能否像本文列出的两篇参考文献那样，讨论共振的效应呢？有没有类似旋磁比一样的物理参数来区分不同尺寸、不同材料、不同工艺加工的约瑟夫森结呢？国内有没有批量生产约瑟夫森结的企业呢？这是争取该领域话语权需要考虑的问题。

问题3：爱因斯坦等人“EPR佯谬”问题的本质是量子力学中的态叠加原理和不对易关系，正是因为位置与动量的不对易关系演化出了后来的“超距量子纠缠”概念，而不对易关系与“不确定性原理”有关，学术界和工业界能否基于现有工业基础水平和具体实验技术重新阐述“不确定性原理”呢？就像不同精度的固定频率可通过晶振、铷钟、铯钟、氢钟、冷原子喷泉钟、光钟等具体的技术手段获得，就像商用电流源说明书中都标有具体的精度，就像参考文献[1]中能估计出电流源的精度一样。

以上问题供国内师生思考，我有理解错误的地方，也请国内师生指出，我知错就改。

建议国内有实验条件的实验团队考虑第2个问题，因为这个问题在物理学和计量学中都是重要的。我今年写了几个电流计量相关的专利，但缺失了部分具体的实验，我也想知道那几个专利是否有用(*^_^*)。

本文供参考的文献：

[1] 缪培贤, 等. 基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法[P]. 专利申请号：202110804833.3. 

[2] 杨宝; 缪培贤*; 史彦超; 冯浩; 张金海; 崔敬忠; 刘志栋. 二能级磁共振经典物理图像的理论和实验研究[J]. 中国激光, 2020, 47(10): 1012001.

参考文献下载的链接：https://pan.baidu.com/s/1coiIkGpUTTdxOzl5N9hSPw 

提取码：beyd