量子计量学始于20世纪后半叶，的国际单位制（SI）中7个基本物理量全部基于量子技术。本书系统介绍了SI演变和量子计量学的发展，从概述量子计量学的理论基础开始，介绍了基于自然常数的新SI发展过程，描述了基于量子技术的电压、电阻、频率、长度和质量标准的理论和实际复现方法，介绍了纳米结构中的电导和热导量子化研究进展，也对应用量子效应的扫描探针显微镜、超导量子干涉器件（SQUID）及噪声温度测量、电子泵和旋转栅等电子元件，以及电流标准和电容标准、卫星导航系统发展进行了阐述。
本书原著由波兰波兹南理工大学电子学教授瓦尔德马尔诺罗基博士编写。本书可供计量院和高科技领域工业实验室等计量实验室人员参考，也可作为电气工程、机械工程和化学专业学生的计量学教材。

目 录

第１章 量子计量学理论基础 ????????????????????????? １

１?１ 简介 ???????????????????????????????? １

１?２ 薛定谔方程和泡利不相容原理 ????????????????????? ２

１?３ 海森堡不确定性原理 ????????????????????????? ４

１?４ 测量分辨力极限 ??????????????????????????? ６

参考文献 ????????????????????????????????? ８

第２章 度量、标准和单位制 ????????????????????????? ９

２?１ 计量体系的历史 ??????????????????????????? ９

２?２ １９６０年的国际单位制 (SI)?????????????????????? １２

２?３ 长度的计量和标准 ?????????????????????????? １４

２?４ 质量的计量和标准 ?????????????????????????? １７

２?５ 时钟和时间的计量 ?????????????????????????? １９

２?６ 温标 ???????????????????????????????? ２３

２?７ 电学量的标准 ???????????????????????????? ２７

参考文献 ???????????????????????????????? ３０

第３章 新的单位制２０１８年的国际单位制 ????????????????? ３１

３?１ 向新单位制发展 ??????????????????????????? ３１

３?２ 用于SI的基本物理常数 ??????????????????????? ３３

３?３ 千克、安培、开尔文和摩尔的新定义提案 ???????????????? ３５

３?３?１ 千克的新定义提案 ???????????????????????? ３５

３?３?２ 安培的新定义提案 ???????????????????????? ３６

３?３?３ 开尔文的新定义提案 ??????????????????????? ３７

３?３?４ 摩尔的新定义提案 ???????????????????????? ３８

３?４ ２０１８年的SI ???????????????????????????? ３９

３?４?１ 定义 ?????????????????????????????? ３９

３?４?２ 单位 ?????????????????????????????? ４０

３?４?３ 有关２０１８年SI的讨论 ?????????????????????? ４２

目 录

?Ⅵ?

３?５ 在SI中安培和其他电学单位定义的实际复现 ?????????????? ４４

３?５?１ 简介 ?????????????????????????????? ４４

３?５?２ 安培的实际复现 ????????????????????????? ４４

３?５?３ SI电学导出单位的实际复现???????????????????? ４５

３?５?４ 磁导率０ 及相关量 ??????????????????????? ４７

３?６ SI千克定义的实际复现???????????????????????? ４７

３?６?１ 千克的定义 ??????????????????????????? ４７

３?６?２ 通过比较电功率和机械功率来实际复现千克 ????????????? ４８

３?６?３ 用 X射线单晶硅密度法实际复现千克???????????????? ４９

３?７ SI开尔文定义的实际复现??????????????????????? ５０

３?７?１ 开尔文的定义 ?????????????????????????? ５０

３?７?２ 通过原级测温实际复现开尔文 ??????????????????? ５１

３?７?３ 声学气体测温 ?????????????????????????? ５２

３?７?４ 辐射测温 (１２３５K 及以上) ??????????????????? ５２

３?７?５ 极化气体测温 ?????????????????????????? ５２

３?８ SI摩尔定义的实际复现???????????????????????? ５４

３?８?１ 摩尔的定义 ??????????????????????????? ５４

３?８?２ 以小不确定度实际复现摩尔定义 ????????????????? ５５

３?９ 量子计量三角形和金字塔 ??????????????????????? ５７

参考文献 ???????????????????????????????? ６２

第４章 量子电压标准 ??????????????????????????? ６４

４?１ 超导 ???????????????????????????????? ６４

４?１?１ 超导材料 ???????????????????????????? ６４

４?１?２ 超导理论 ???????????????????????????? ６６

４?１?３ 超导体的特性 ?????????????????????????? ６６

４?２ 约瑟夫森效应 ???????????????????????????? ６８

４?３ 约瑟夫森结 ????????????????????????????? ７１

４?４ 电压标准 ?????????????????????????????? ７４

４?４?１ 基于惠斯顿电池的电压标准 ???????????????????? ７４

４?４?２ 直流电压约瑟夫森标准 ?????????????????????? ７５

４?４?３ 交流电压约瑟夫森标准 ?????????????????????? ７７

４?４?４ 华沙中央计量局 (GUM)的电压标准 ??????????????? ８０

４?４?５ GUM 标准和 BIPM 标准的比对 ?????????????????? ８２

４?４?６ 精密比较仪电路 ????????????????????????? ８３

量子计量学导论修订的SI和量子标准 (第２版)

?Ⅶ?

４?５ 超导数字电路 ???????????????????????????? ８４

４?５?１ 半导体数字电路的未来发展 ???????????????????? ８４

４?５?２ 具有约瑟夫森结的数字电路 ???????????????????? ８４

４?６ 约瑟夫森结的其他应用 ???????????????????????? ８７

４?６?１ 压频转换器 ??????????????????????????? ８７

４?６?２ 太赫兹辐射源 ?????????????????????????? ８８

参考文献 ???????????????????????????????? ８９

第５章 SQUID磁通检测器 ????????????????????????? ９１

５?１ 磁通的量子化 ???????????????????????????? ９１

５?２ RF SQUID ???????????????????????????? ９４

５?２?１ RF SQUID等式 ???????????????????????? ９４

５?２?２ RF SQUID测量系统 ?????????????????????? ９５

５?３ DC SQUID ???????????????????????????? ９７

５?３?１ DC SQUID等式 ???????????????????????? ９７

５?３?２ DC SQUID的能量分辨力和噪声 ???????????????? １０２

５?３?３ DC SQUID的参数 ?????????????????????? １０４

５?４ DC SQUID测量系统 ??????????????????????? １０５

５?４?１ 测量系统的运行 ???????????????????????? １０５

５?４?２ 输入回路 ??????????????????????????? １０６

５?４?３ 双SQUID测量系统??????????????????????? １０８

５?４?４ 附加正反馈的SQUID测量系统?????????????????? １０９

５?４?５ 数字SQUID测量系统?????????????????????? １１０

５?５ 纳米SQUID ???????????????????????????? １１１

５?５?１ 磁信号和干扰 ????????????????????????? １１３

５?５?２ 生物磁研究 ?????????????????????????? １１４

５?５?３ 材料的无损检测 ???????????????????????? １１７

５?６ SQUID噪声测温 ?????????????????????????? １１８

５?６?１ R SQUID噪声温度计 ????????????????????? １１８

５?６?２ DC SQUID噪声温度计 ???????????????????? １２１

５?６?３ SQUID的其他应用 ??????????????????????? １２２

参考文献 ???????????????????????????????? １２４

第６章 量子霍尔效应和电阻基准 ?????????????????????? １２７

６?１ 霍尔效应 ????????????????????????????? １２７

６?２ 量子霍尔效应 ??????????????????????????? １２８

目 录

?Ⅷ?

６?２?１ 二维电子气电子器件 ?????????????????????? １２８

６?２?２ 量子霍尔效应的物理基础 ???????????????????? １２９

６?２?３ QHE样品 ??????????????????????????? １３１

６?２?４ 石墨烯中的量子霍尔效应 ???????????????????? １３３

６?３ 华沙中央计量局 (GUM)的传统电阻标准的测量装置 ?????????? １３４

６?４ 量子标准测量系统 ????????????????????????? １３８

６?５ SI电阻的量子标准 ????????????????????????? １４０

参考文献 ???????????????????????????????? １４２

第７章 纳米结构中电导和热导的量子化 ??????????????????? １４３

７?１ 电导理论 ????????????????????????????? １４３

７?２ 宏观和纳米尺度结构 ???????????????????????? １４６

７?３ 纳米结构电导量子化的研究 ????????????????????? １４８

７?３?１ 纳米结构的形成 ???????????????????????? １４８

７?３?２ 动态形成纳米线的测量 ????????????????????? １４９

７?４ 用电导量子化测量纳米结构的几何尺寸 ???????????????? １５１

７?４?１ 方法 ????????????????????????????? １５１

７?４?２ 技术条件 ??????????????????????????? １５１

７?５ 纳米结构热导量子化 ???????????????????????? １５２

７?６ 纳米结构电导量子化对科技的影响 ?????????????????? １５３

参考文献 ???????????????????????????????? １５６

第８章 单电子隧穿 ???????????????????????????? １５８

８?１ 电子隧穿 ????????????????????????????? １５８

８?１?１ 隧穿现象 ??????????????????????????? １５８

８?１?２ 单电子隧穿理论 ???????????????????????? １５９

８?２ SET 结电子电路 ?????????????????????????? １６０

８?２?１ SETT 晶体管 ????????????????????????? １６０

８?２?２ 电子泵和旋转栅器件 ?????????????????????? １６１

８?３ 利用电子泵的量子电流标准 ????????????????????? １６３

８?４ 基于电子计数的电容标准 ?????????????????????? １６４

８?５ 库伦阻塞温度计 ?????????????????????????? １６５

参考文献 ???????????????????????????????? １６８

第９章 原子钟和时间尺度 ????????????????????????? １６９

９?１ 理论原理 ????????????????????????????? １６９

９?１?１ 简介 ????????????????????????????? １６９

量子计量学导论修订的SI和量子标准 (第２版)

?Ⅸ?

９?１?２ 艾伦方差 ??????????????????????????? １７１

９?１?３ 原子标准的结构和类型 ????????????????????? １７３

９?２ 铯原子频率标准 ?????????????????????????? １７４

９?２?１ 铯束频率标准 ????????????????????????? １７４

９?２?２ 铯喷泉频率标准 ???????????????????????? １７７

９?３ 氢脉泽和铷频率标准 ???????????????????????? １７８

９?３?１ 氢脉泽频率标准 ???????????????????????? １７８

９?３?２ 铷频率标准 ?????????????????????????? １８０

９?３?３ 原子频标参数 ????????????????????????? １８１

９?４ 光学辐射频率标准 ????????????????????????? １８１

９?４?１ 光学辐射源 ?????????????????????????? １８１

９?４?２ 光学频率梳 ?????????????????????????? １８３

９?５ 时间尺度 ????????????????????????????? １８５

９?６ 波兰国家时间和频率标准 ?????????????????????? １８７

参考文献 ???????????????????????????????? １８９

第１０章 长度标准和测量 ????????????????????????? １９０

１０?１ 简介 ??????????????????????????????? １９０

１０?２ 米定义的复现 ??????????????????????????? １９１

１０?２?１ CIPM 建议的米的复现 ????????????????????? １９１

１０?２?２ CIPM 建议的长度测量 ????????????????????? １９４

１０?３ 碘稳频６３３nm 氦氖激光器 ????????????????????? １９６

参考文献 ???????????????????????????????? １９９

第１１章 卫星导航系统 ?????????????????????????? ２００

１１?１ 简介 ??????????????????????????????? ２００

１１?２ 全球定位系统 (GPS) ??????????????????????? ２０２

１１?３ GLONASS与北斗卫星导航系统 ??????????????????? ２０４

１１?３?１ GLONASS卫星导航系统 ???????????????????? ２０４

１１?３?２ 北斗卫星导航系统 ??????????????????????? ２０５

１１?４ 伽利略卫星导航系统 ???????????????????????? ２０６

１１?５ 区域卫星导航系统:印度 NAVIC和日本 QZSS ???????????? ２０７

１１?６ 定位精度 ????????????????????????????? ２０８

１１?７ 导航卫星系统的应用 ???????????????????????? ２１１

１１?７?１ 导航 ????????????????????????????? ２１１

１１?７?２ 定位 ????????????????????????????? ２１２

目 录

?Ⅹ?

１１?７?３ 授时 ????????????????????????????? ２１４

１１?７?４ 搜索与救援 ?????????????????????????? ２１５

参考文献 ???????????????????????????????? ２１６

第１２章 扫描探针显微镜 ????????????????????????? ２１７

１２?１ 原子分辨显微镜 ?????????????????????????? ２１７

１２?１?１ 扫描探针显微镜的工作原理 ??????????????????? ２１７

１２?１?２ SPM 近场相互作用的类型 ??????????????????? ２１８

１２?１?３ SPM 基本参数 ???????????????????????? ２１８

１２?２ 扫描隧道显微镜 ?????????????????????????? ２１９

１２?３ 原子力显微镜 ??????????????????????????? ２２２

１２?３?１ 原子力 ???????????????????????????? ２２２

１２?３?２ 原子力显微镜性能 ??????????????????????? ２２３

１２?３?３ 显微镜悬臂梁挠曲的测量 ???????????????????? ２２３

１２?３?４ 测量悬臂梁共振的原子力显微镜 ????????????????? ２２５

１２?４ 静电力显微镜 ??????????????????????????? ２２６

１２?５ 扫描热显微镜 ??????????????????????????? ２２７

１２?６ 扫描近场光学显微镜 ???????????????????????? ２２９

１２?７ 扫描探针显微术的发展机遇 ????????????????????? ２３０

参考文献 ???????????????????????????????? ２３２

第１３章 新质量标准 ??????????????????????????? ２３３

１３?１ 简介 ??????????????????????????????? ２３３

１３?２ 基于普朗克常数的质量标准 ????????????????????? ２３７

１３?２?１ 功率天平标准 ????????????????????????? ２３７

１３?２?２ 悬浮标准和静电标准 ?????????????????????? ２４０

１３?３ 硅球标准 ????????????????????????????? ２４０

１３?３?１ 参考质量与阿伏加德罗常数 ??????????????????? ２４０

１３?３?２ 硅晶胞体积的测量 ??????????????????????? ２４２

１３?３?３ 硅球体积的测量 ???????????????????????? ２４３

１３?４ 离子累积标准 ??????????????????????????? ２４４

参考文献 ???????????????????????????????? ２４６