计量体系时代变革已经到来——计量单位将迎来量子化时代

人们日常所用的“米”“秒”“千克”等计量单位，将被重新定义。记者日前从中国计量院主办的“展望2025——国际计量发展重大挑战”国际研讨会上了解到，当前国际计量体系正在经历历史性变革，国际单位制将以量子等自然界基本常数为基础重新定义。国际计量委员会正在起草关于重新修订国际单位制的草案，且有望于2018年被国际计量大会采纳。计量将向先进制造、医学、新能源等新兴产业和领域发展，带来广泛而深刻的影响。

量子基准将取代实物基准

据了解，国际单位制是全球统一的计量单位制，是构成国际计量体系的基石。其核心是7个基本单位，即时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、热力学温度“开尔文”、电流单位“安培”、发光强度单位“坎德拉”和物质的量单位“摩尔”。国际单位制最早形成于19世纪，伴随着科技发展，发生了多次重大变革。

中国计量院院长方向介绍，20世纪80年代开始，量子力学的发展催生了国际单位制又一次重大变革。国际计量界决定对国际单位制的7个基本单位重新定义，将其与宇宙中恒定不变的量或基本物理常数联系起来，以量子物理为基础的自然基准取代实物基准，这样就不会受到空间和时间改变的影响，测量准确度等技术指标得以大幅度提高。

“此次变革的核心是‘计量单位量子化’和‘量值传递扁平化’。”方向解释，所谓“计量单位量子化”，是指通过全面采用量子计量基准，大幅提高测量精度和稳定性；而“量值传递扁平化”则是指通过量子计量基准与信息技术的结合，使量值传递链条更短、速度更快、测量结果更准更稳。

“单位‘米’的基准是实物米尺，各个国家都有一把作为基准的米尺，而且需要溯源到国际计量局的国际米原器进行校准，以确定其准确量值。然后通过实物传递到省一级、市一级、县一级等一级级地进行校准。传递的过程越长，其精度的损失就越大。”方向说，现在通过激光的波长来定义“米”，因为激光的频率和速度非常稳定，只要准确地测定某一种激光的频率或速度，然后以此来计算一定时间里它走过的距离，就可以定义“米”了。

重新定义后的“米”为激光在真空中1/299792458秒（接近三亿分之一秒）所走的距离，其准确度比国际米原器大幅提高，而且其复现和传递可以不受时间和环境的影响，更能满足我们不断增长的测量需求。“现在的先进制造、精密制造、精准医疗等，对长度的测量需要精确到几何级，直接用激光器来校准，肯定比传统方式要更精确。”方向说。

精准计量催生新技术

近年来，国际单位制重新定义的相关工作已取得了重要进展，目前仅剩一个基本单位——千克，定义仍沿用实物基准。为实现用基本物理常数和量子技术重新定义“千克”，包括中国计量院在内的许多国家计量院已经开展了多年实验研究。

作为国际单位制的基础、核心和关键，时间频率基准已率先完成量子化变革，其定义从“天文时”转变为基于原子能级跃迁的“原子时”，测量精度立刻提升了1000万倍以上。正是基于时间定义的量子化变革，实现了卫星导航定位，其精度达到了厘米级别。时间定义的变革还快速催生长度、电学、温度、质量等单位的重新定义。如“米”就是建立在“秒”的量子化变革基础上，定义为激光在真空中三亿分之一秒所走距离，使长度测量进入原子级别。

“伴随测量精度大幅提升，一大批革命性的新技术由此诞生，带来产业的跨越式发展。如精准测量支撑了纳米技术和石墨烯的应用、提升了先进制造中航空发动机的精度、推动了精准医疗产业的发展、决定了核潜艇侦测和隐身技术的竞争成败等。”方向介绍。