量子是物理量的最小單位。量子測量技術(shù)是基于量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的一種具有超高精度的測量技術(shù)，已經(jīng)成為人類探索、認(rèn)知世界的重要手段。2016年人類首次探測到引力波，是量子測量技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的一次重要應(yīng)用。隨著量子光學(xué)、原子物理學(xué)等的發(fā)展，精密測量已經(jīng)進(jìn)入量子時代。
在能源電力領(lǐng)域，量子測量技術(shù)可精確、全面地獲取電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)并溯源至物理常數(shù)，在量值溯源與傳遞準(zhǔn)確可靠的前提下助力電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)全景感知，推動能源電力數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型。
量子測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度精密測量
量子測量技術(shù)采用粒子能級躍遷、量子糾纏、量子相干等技術(shù)原理，對微觀粒子進(jìn)行量子態(tài)制備、測量和讀取，實(shí)現(xiàn)對磁場、電場、時間、溫度等物理參數(shù)的高準(zhǔn)確度精密測量。
量子測量的實(shí)施過程可分為量子態(tài)的制備與初始化、量子體系在待測物理場中演化、演化后量子態(tài)的讀取和結(jié)果處理轉(zhuǎn)化等基本步驟。首先，通過控制激光、電磁波等信號將微觀粒子的能級、自旋態(tài)等量子體系調(diào)控到特定的初始化狀態(tài)。量子體系與待測物理量相互作用后，量子體系的量子態(tài)發(fā)生變化。其次，利用直接或間接方法獲得包含最終量子態(tài)的光學(xué)或電子學(xué)信號。最后，將獲得的信號轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)信號輸出，從而獲取測量值。
量子測量技術(shù)可以用于探測磁場、電場、加速度、角速度、重力、重力梯度、溫度、時間、距離等物理量，應(yīng)用領(lǐng)域包括基礎(chǔ)科學(xué)研究、軍事國防、航空航天、能源勘探、交通運(yùn)輸、災(zāi)害預(yù)警等。
在能源電力領(lǐng)域，量子測量技術(shù)可推動電力計量基標(biāo)準(zhǔn)量子化和電力測量技術(shù)先進(jìn)化。
利用量子測量技術(shù)打造電力計量基標(biāo)準(zhǔn)
量子測量技術(shù)可突破散粒噪聲限制，達(dá)到遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方式的測量精度。且測量復(fù)現(xiàn)理論值僅與物理常數(shù)相關(guān)，不隨測量時間、地點(diǎn)、環(huán)境的變化而變化。基于以上優(yōu)勢，利用量子測量技術(shù)可打造電流、電壓、時間頻率等電力計量基標(biāo)準(zhǔn)，顯著提升量傳溯源過程中的測量準(zhǔn)確度，降低測量不確定度，保障電力計量全環(huán)節(jié)準(zhǔn)確可靠。
電流最新定義為單位時間內(nèi)通過的電荷量，而構(gòu)成電荷量的最小單位是電子電荷，所以電流的大小就與基本物理常數(shù)電子電荷量直接相關(guān)。精準(zhǔn)控制電子可以實(shí)現(xiàn)電流的量子化。目前，復(fù)現(xiàn)量子電流的方法是利用單電子隧道效應(yīng)及粒子加速器原理。單電子隧道效應(yīng)通過精準(zhǔn)控制電子流通的個數(shù)實(shí)現(xiàn)電流量子化。粒子加速器原理則是對電子個數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)探測，并通過高電壓控制電子傳輸速率實(shí)現(xiàn)電流的量子化。
電壓的量子化復(fù)現(xiàn)思路也是將電壓值與某一物理常數(shù)直接關(guān)聯(lián)。復(fù)現(xiàn)量子電壓的方法利用了約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森效應(yīng)是指在低溫超導(dǎo)、偏置電流和微波功率輻射的條件下，約瑟夫森結(jié)(由兩塊超導(dǎo)體夾以某種很薄的勢壘層構(gòu)成的特殊“三明治”結(jié)構(gòu))兩端產(chǎn)生電壓臺階的現(xiàn)象。該電壓臺階大小僅與約瑟夫森常數(shù)及微波頻率相關(guān)，而頻率值也可溯源至物理常數(shù)，因此可實(shí)現(xiàn)電壓的量子化。
時間頻率的量子化則是將時間頻率基標(biāo)準(zhǔn)裝置的輸出時間頻率綁定至原子、離子等微觀粒子內(nèi)部能級的躍遷時間頻率，并以該時間頻率作為參考來鎖定晶體振蕩器或激光器頻率，從而輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖或頻率信號。
量子測量助力電力系統(tǒng)多狀態(tài)全景感知
隨著碳達(dá)峰碳中和進(jìn)程加快，電力系統(tǒng)“雙高”特征凸顯。電力系統(tǒng)量測工作呈現(xiàn)寬動態(tài)、快時變、頻域信息多、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，現(xiàn)有量測工作方式方法無法有效適配。以氮空位色心測量、堿金屬原子測量、里德堡原子測量等為主流的量子測量技術(shù)可為電力系統(tǒng)多參量、大量程、寬動態(tài)范圍全景感知提供新途徑。
氮空位色心是指金剛石中氮原子取代碳原子后與附近的空穴組成的點(diǎn)缺陷。在外場作用下，氮空位色心能級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，利用激光、微波對其量子態(tài)進(jìn)行制備、操控以及讀取，可實(shí)現(xiàn)對電場、磁場、溫度、應(yīng)力的精密測量。氮空位色心量子測量技術(shù)具有多物理量敏感、高靈敏度、固態(tài)介質(zhì)高可靠性等優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)傳感領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
利用堿金屬原子內(nèi)部電子磁矩與外部磁場的相互作用測量能級結(jié)構(gòu)的微小變化，可實(shí)現(xiàn)對磁場的高靈敏度測量。目前，靈敏度最高可達(dá)阿(10^-18)特斯拉量級，較常規(guī)技術(shù)可提高10萬倍以上。
里德堡原子是指具有較大的主量子數(shù)的高激發(fā)態(tài)原子，通過臨近量子態(tài)電偶極躍遷實(shí)現(xiàn)電場傳感。里德堡原子電場測量技術(shù)可測量靜電場、微波電場、射頻電場等不同頻段的電場，具有可溯源性好、探測靈敏度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
電力量子精密測量是一個新興的應(yīng)用學(xué)科。電力量子基標(biāo)準(zhǔn)研制、電力量子量傳溯源方法、電力量子傳感精密設(shè)備研發(fā)等方面仍有廣闊的研究空間。
作者：鐘嚴(yán)文 單位：中國電力科學(xué)研究院
作者：鐘嚴(yán)文
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