一、团队成员：
团队负责人：
张钟华：72岁，研究员，中国工程院院士
团队成员：
贺青： 47岁，研究员，博士，电磁计量科学研究所所长
李正坤：35岁，研究员，博士，电学量子基准研究室主任
高原： 57岁，研究员
李红晖：44岁，副研究员
韩冰： 34岁，副教授，博士
王曾敏：31岁，副研究员，博士
赵建亭：31岁，副研究员，博士
鲁云峰：31岁，助理研究员，硕士
二、在研项目及研究进展：
1.“能量天平”法质量量子基准：
质量单位千克(kg)是国际单位制SI的七个基本单位中唯一仍然由实物基准（千克原器）复现量值的基本单位。大量实验已说明保存在国际计量局的千克原器在启用后的一百多年内所保存的量值已经发生了10-8量级的变化。所以从上世纪七十年代起，英、美、法、瑞士、加拿大、国际计量局等国家计量实验室开展了研制量子质量基准的工作。量子基准以自然现象复现计量单位的量值,可以消除以人工制造的实物基准所复现量值随时间变化的现象。国际计量委员会2005年决议支持此方面的工作，但要求至少有三种以上的不同方案，不同方案所得结果之间的差别小于5×10-8。尽管经过了三十多年的努力，各国的研究成果仍然不能达到这样的要求，彼此之间的差别尚在10-7量级。
中国计量院从2006年开始也开展了建立量子质量基准的探索。所采用的方案是我们自己提出的“能量天平法”，与国际上普遍采用的“瓦特天平”方案有所不同，所以受到了国际上的重视。目前已建成一套初步的测量装置，测量不确定度为10-5量级。准备进一步改进后在2013年达到10-6量级。
“能量天平法”的核心技术是互感量的精密测量，目前此项技术已经达到10-7量级，为国际领先水平。在研究互感量精密测量技术的过程中，还发明了一种极低负载效应电阻器件的实现方法，有着广泛的推广应用价值。从2014年开始，将根据第一阶段的研究成果进一步开展下一阶段的研究工作，总体测量不确定度将达到10-7量级。能量天平实验装置如图1所示。
图1. 能量天平实验装置如
“能量天平法”的基本原理是测量通电线圈之间的电磁作用力，将其与砝码重力相比较，从而测定普朗克常数的SI值。待各国的测量数据取得一致后，就可反过来用普朗克常数的数值定义砝码的质量量值。
为了使线圈之间的电磁作用力接近1kg砝码的重力值，线圈中需通以较大的电流。此时线圈会被电流加热而引起测量误差。美国的NIST和国际计量局采用超导线圈。我国“能量天平法”的研究中也考虑在下一步的装置中采用超导线圈。但今年进行的实验中发现超导线圈的“迈斯纳效应”会引起一定的测量误差，得不到更好的效果。国际计量局也在实验中发现了这个问题。为乐解决这个问题，课题组最近设计出了如下图所示的新线圈系统。其中绿色和浅绿色部分由高性能软磁材料制成，紫色部分为线圈。由于铁磁材料的磁短路作用，大大提高了线圈产生磁场的效率，发热也因此减小了许多倍。预计可得到比原有的线圈系统更好的效果。
图2 “能量天平”法新磁体结构图
2．摆动周期法实现质量量子基准
量子质量基准是目前国际上的前沿和热点课题，在目前国内外正在进行的瓦特天平和其他类似的电学方案中，利用机械功率和电功率的平衡，把质量单位溯源到普朗克常数。但是测量过程中涉及到砝码的重力，引入了重力加速度、空气浮力等因素，影响了测量结果的准确性和不确定度。
本项目提出了一种摆动周期法实现质量量子基准的方案，不再测量力而是直接测量砝码的惯性质量，避免了重力加速度、空气浮力的影响。使挂在天平上的砝码受到一套线圈或者电容极板之间的电弹性力的作用而随天平一起摆动，摆动周期只与砝码的惯性质量及弹性力有关。弹性力可由线圈或者电容极板之间的作用力产生，线圈之间的互感和电容极板之间的电容这两种电学参量的测量可以溯源到量子电阻基准和量子电压基准。弹性力及摆动周期测出后即可导出砝码的惯性质量。
摆动周期法的技术关键点和难点在于电弹性力的产生、天平摆动控制系统及摆动周期测量，本项目采用了线圈系统和电容两种方法产生电磁力，并对线圈系统的互感和电容极板之间的电容值的测量方法进行了探索。取得的进展主要有以下几点：(1) 摆动周期法的理论完善；(2) 互感精密测量；(3) 传感器的设计研制；(4) 能量控制系统研究；(5) 摆动周期测量。
摆动周期法为我国首次提出，没有现成的经验可供借鉴，后续研究中还有一系列的难题待攻克，项目组将针对遇到问题，提出相应的解决方案。
图3. 摆动周期法实验装置
3. 宽量限超高精密电流测量仪
电力机械在国民经济中使用最广泛，而电流则是电力机械的驱动力。所以在我国开展的节能降耗工作中，电流量值的准确测量成为一个关键问题。经典的电动力式电流测量仪表由于准确度低于10-3量级，目前只在要求不高的场合尚有使用。现代的电流测量技术中，一般是使电流通过一个精密采样电阻，测量采样电阻上的压降来求得待测电流的量值。这样的电流测量方法所受到的限制在于采样电阻通过电流时会发热，准确度一般为10-5量级，再要提高就有困难。
课题组在进行建立量子质量基准的研究工作中，由于精密测量互感量值的需要，发明了一种负载效应极小的电阻网络。当电流通入网络时，尽管其中的电阻元件也会发热，但网络的整体电阻量值保持不变。实测数据表明，在实验过程中观察到，对于整体电阻值为10欧的网络，当电压达到1伏时，整体电阻值在10-9量级保持不变。这是国际上从未有过的新技术（已经申请发明专利）。课题组利用这样的新技术使得互感量的测量准确度达到了10-7量级（居国际领先水平），为我国自主提出的“能量天平法”方案提供了强有力的技术基础。同时这样的技术可以进一步发展成精密电流测量仪，为经济建设中需要精密测量电流的手段。所以在2011年科技部给计量院下达了“重大科学仪器开发专项”中的“宽量限超高精密电流测量仪”课题，要求把此项技术进一步开发成产品。
项目组按照进度安排，完成了阻值分别为10kΩ、1kΩ、100Ω、20Ω、10Ω“极低负载效应分布式采样电阻”的电阻器件试制，经初步测试，以上各种阻值的电阻器负载系数最高达到10-8量级；完成采样电阻负载系数自校验测试方法及行业测试规范建议稿一套，完成了2012年度阶段目标。下面是极低负载效应采样电阻的照片。
图4. 自制极低负载系数电阻
2012年上半年，课题组派出了一位博士研究生到国际计量局参与国际计量局“瓦特天平”项目的研究工作，为其研制成了一台稳定度达到10-7量级的高精度电流源，得到了好评。
4.建立约瑟夫森量子电压伏秒（磁通）基准
动态方波信号的合成可以用于建立高准确度的伏秒磁通基准，是本项目组在课题研究工作中得到的创新成果之一。磁通是磁学领域最基本的物理量之一。我国目前的磁通基准其复现磁通单位量值的不确定度为5×10-6。该磁通基准的建成已超过30年，随着时间的推移该实物基准的量值难免发生微小改变，目前国内还没有能对国家磁通基准的不确定度指标进行准确考核的装置。
项目组经研究提出了利用量子电压基准可以实现伏秒（磁通）准确测量的创新思想，同时也可以为其他与磁通有关的磁参量测量、如互感的精密测量提供一个新的、高准确度的测量方法。目前根据项目组所进行的课题研究进展情况，已将磁通的测量不确定度提高了3个数量级，同时对互感的精密测量水平也随之大幅提升。