量子测量技术推动电力计量发展

　　量子是物理量的最小单位。量子测量技术是基于量子力学原理实现的一种具有超高精度的测量技术，已经成为人类探索、认知世界的重要手段。2016年人类首次探测到引力波，是量子测量技术在基础科学领域的一次重要应用。随着量子光学、原子物理学等的发展，精密测量已经进入量子时代。

　　在能源电力领域，量子测量技术可精确、全面地获取电力系统各环节数据并溯源至物理常数，在量值溯源与传递准确可靠的前提下助力电力系统运行状态全景感知，推动能源电力数字化智能化转型。

　　量子测量技术可实现高准确度精密测量

　　量子测量技术采用粒子能级跃迁、量子纠缠、量子相干等技术原理，对微观粒子进行量子态制备、测量和读取，实现对磁场、电场、时间、温度等物理参数的高准确度精密测量。

　　量子测量的实施过程可分为量子态的制备与初始化、量子体系在待测物理场中演化、演化后量子态的读取和结果处理转化等基本步骤。首先，通过控制激光、电磁波等信号将微观粒子的能级、自旋态等量子体系调控到特定的初始化状态。量子体系与待测物理量相互作用后，量子体系的量子态发生变化。其次，利用直接或间接方法获得包含最终量子态的光学或电子学信号。最后，将获得的信号转换成传统信号输出，从而获取测量值。

　　量子测量技术可以用于探测磁场、电场、加速度、角速度、重力、重力梯度、温度、时间、距离等物理量，应用领域包括基础科学研究、军事国防、航空航天、能源勘探、交通运输、灾害预警等。

　　在能源电力领域，量子测量技术可推动电力计量基标准量子化和电力测量技术先进化。

　　利用量子测量技术打造电力计量基标准

　　量子测量技术可突破散粒噪声限制，达到远超传统方式的测量精度。且测量复现理论值仅与物理常数相关，不随测量时间、地点、环境的变化而变化。基于以上优势，利用量子测量技术可打造电流、电压、时间频率等电力计量基标准，显著提升量传溯源过程中的测量准确度，降低测量不确定度，保障电力计量全环节准确可靠。

　　电流最新定义为单位时间内通过的电荷量，而构成电荷量的最小单位是电子电荷，所以电流的大小就与基本物理常数电子电荷量直接相关。精准控制电子可以实现电流的量子化。目前，复现量子电流的方法是利用单电子隧道效应及粒子加速器原理。单电子隧道效应通过精准控制电子流通的个数实现电流量子化。粒子加速器原理则是对电子个数进行精准探测，并通过高电压控制电子传输速率实现电流的量子化。

　　电压的量子化复现思路也是将电压值与某一物理常数直接关联。复现量子电压的方法利用了约瑟夫森效应。约瑟夫森效应是指在低温超导、偏置电流和微波功率辐射的条件下，约瑟夫森结(由两块超导体夹以某种很薄的势垒层构成的特殊“三明治”结构)两端产生电压台阶的现象。该电压台阶大小仅与约瑟夫森常数及微波频率相关，而频率值也可溯源至物理常数，因此可实现电压的量子化。

　　时间频率的量子化则是将时间频率基标准装置的输出时间频率绑定至原子、离子等微观粒子内部能级的跃迁时间频率，并以该时间频率作为参考来锁定晶体振荡器或激光器频率，从而输出标准秒脉冲或频率信号。

　　量子测量助力电力系统多状态全景感知

　　随着碳达峰碳中和进程加快，电力系统“双高”特征凸显。电力系统量测工作呈现宽动态、快时变、频域信息多、数据量大等特点，现有量测工作方式方法无法有效适配。以氮空位色心测量、碱金属原子测量、里德堡原子测量等为主流的量子测量技术可为电力系统多参量、大量程、宽动态范围全景感知提供新途径。

　　氮空位色心是指金刚石中氮原子取代碳原子后与附近的空穴组成的点缺陷。在外场作用下，氮空位色心能级结构发生改变，利用激光、微波对其量子态进行制备、操控以及读取，可实现对电场、磁场、温度、应力的精密测量。氮空位色心量子测量技术具有多物理量敏感、高灵敏度、固态介质高可靠性等优势，在电力系统传感领域应用前景广阔。

　　利用碱金属原子内部电子磁矩与外部磁场的相互作用测量能级结构的微小变化，可实现对磁场的高灵敏度测量。目前，灵敏度最高可达阿(10^-18)特斯拉量级，较常规技术可提高10万倍以上。

　　里德堡原子是指具有较大的主量子数的高激发态原子，通过临近量子态电偶极跃迁实现电场传感。里德堡原子电场测量技术可测量静电场、微波电场、射频电场等不同频段的电场，具有可溯源性好、探测灵敏度高、动态范围大等优点。

　　电力量子精密测量是一个新兴的应用学科。电力量子基标准研制、电力量子量传溯源方法、电力量子传感精密设备研发等方面仍有广阔的研究空间。

　　作者：钟严文 单位：中国电力科学研究院