测量精密仪

超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器 杨宏兴 1，2，付海金 1，2，胡鹏程 1，2*，杨睿韬 1，2，邢旭 1，2，于亮 1，2，常笛 1，2，谭久彬 1，2 1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求，哈尔滨工业大学深入探索了传统的共 光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差 精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉仪，激 光真空波长相对准确度最高达 9. 6×10-10，位移分辨力为 0. 077 nm，光学非线性误差最低为 13 pm，最大测量速度 为 5. 37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测 试领域，为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。 关键词 光学设计与制造；激光干涉；超精密高速位移测量引 言 激光干涉位移测量（DMLI）技术是一种以激光 波长为标尺，通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术。因具有非接触、高精度、高动 态、测量结果可直接溯源等特点，DMLI 技术和仪器被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、 精密运动测试与高端装备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。以目前的主流光刻机为例，其内部通常集成有 6 轴至 22 轴以上的超精密高速激光干涉仪，来实时测量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿态信息。根据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求，目前对激光干涉的位移测量精度需求从数十纳米至数纳米，并将进一步突破至原子尺度即亚纳米量级；而位移测量速度需求，则从数百毫米每秒到数米每秒。 对 DMLI 技术和仪器而言，影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。围绕光刻机等高端装备提出的超精密高速测量需求，以美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司为代表的国际激光干涉仪企业和研发机构，长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破， 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。然而， 一方面，上述超精密高速激光干涉测量技术和仪器 已被列入有关国家的出口管制清单，不能广泛地支撑我国当前的光刻机研发生产需求；另一方面，上述技术和仪器并不能完全满足国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移测量需求。 针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求， 哈尔滨工业大学先后探索了传统的共光路双频激光干涉测量方法和新一代的非共光路双频激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差精 准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方 面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉 仪，可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高分辨力高精度位移测量，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心 测量手段，而且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。高精度干涉镜组设计与研制 高精度干涉镜组的 3 个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性，本课题组围绕这 3 个核心指标（特别是光学非线性）设计并研制了前后两代镜组。 共光路多轴干涉镜组共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入，具备抗环境干扰能力强的优点，是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径，并且是光刻机定位系统精度的保证。该类干涉镜组设计难点在于，通过复杂光路中测量臂和参考臂的光路平衡设计保证干涉镜组的热稳定性，并通过无偏分光技术和自主设计的光束平行性测量系统，保证偏振正交的双频激光在入射分光及多次反射/折射后的高度平行性［19- 20］。目前本课题组研制的 5 轴干涉镜组（图 11） 可实现热稳定性小于 10 nm/K、光学非线性误差小于 1 nm 以及任意两束光的平行性小于 8″，与国 际主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″相当。 图 11. 自主研制的共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图非共光路干涉镜组 非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上， 通过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠，优化了纳米量级的光学非线性误差。2014 年，本课题组提出了一种非共光路干涉镜组结构［2，21］，具体结构如图 12 所示，测试可得该干涉镜组的光学非 线性误差为 33 pm。并进一步发现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性误差源，建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法，改进并设计了光学非线性误差小于 13 pm 的非共光路干涉镜组［2-3］，并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于 2 nm/K［22- 25］。同时，本课题组也采用多光纤高精度平行分光，突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光，致使光轴之间的平行度误差 逐级累加的固有问题，保证多光纤准直器输出光任意 两个光束之间的平行度均小于 5″。 图 12. 自主设计的非共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技 术，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉仪 （图 17），其激光真空波长准确度最高达 9. 6×10-10 （k=3），位移分辨力为 0. 077 nm，最低光学非线性误差为 13 pm，最大测量速度为 5. 37 m/s（表 2）。并成功应用于上海微电子装备（集团）股份有限公司 （SMEE）、中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等十余家单位 ，在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。 图 17. 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。（a）20轴以上超精密高速激光干涉仪；（b）单轴亚纳米级激光干涉仪；（c）三轴亚纳米级激光干涉仪超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量， 不仅考验仪器的研制水平，更考验仪器的应用水 平，如复杂系统中的多轴同步测量，亚纳米乃至皮 米量级新误差源的发现与处理，高水平的温控与隔 振环境等。下面主要介绍超精密激光干涉仪的几 个典型应用。 国产光刻机研制：多轴高速超精密激光干涉仪 在国产光刻机研制方面，多轴高速超精密激光 干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是，一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运；另一方面该类仪器技术复杂、难度极大，我国一直未能完整掌握，这严重制约了国产光刻机的研制和生产。 为此，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉测量系统，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域，典型应用如图 18 所示，其各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求，打破了国外相关产品对我国 的禁运封锁，在国产光刻机研制中发挥了重要作用。在所应用的光刻机中，干涉仪的测量轴数可达 22 轴以上，最大测量速度可达 5. 37 m/s，激光真空 波 长/频 率 准 确 度 最 高 可 达 9. 6×10−10（k=3），位 移 分 辨 力 可 达 0. 077 nm，光 学 非 线 性 误 差 最 低 为 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴（3~5 mK@ 10 min）和隔振环境，可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步测量与解耦，以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求，进而保证光刻机整体套刻精度。图 18. 超精密高速激光干涉测量系统在光刻机中的应用原理及现场照片国家级计量基准装置研制：亚纳米精度激光干涉仪 在国家级计量基准装置研制方面，如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义，被国际知名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量，其要求绝对测量精度达到 1 nm 以内。为此，本课题组研制了国内首套亚纳米激光干涉仪，并成功应用于我国首套量子化质量基准装置（图 19），在量子化质量基准中 国方案的实施中起到了关键作用，并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一［30- 32］。为达到亚纳米级测量精度，除了精密的隔振与温控环境以外，该激光干涉仪必须在真空环境 下进行测量以排除空气折射率对激光波长的影响， 其测量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外，为了实现对被测对象的姿态监测，该干涉仪的测量轴 数达到了 9 轴。图 19. 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪 结论 近年来，随着高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域技术的迅猛发展，光刻机等高端制造装备、能量天平等量子化计量基准装置、 空间引力波探测等重大科学工程对激光干涉测量技术提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 重大挑战。对此，本课题组在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展，下一步的研究重点主要包括以下 3 个方面： 1）围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升，将要求在大量程、6 自由度复杂耦合、高速运动条件下实现 0. 1 nm 及以下的位移测量精度，对激光干涉仪的研发提出严峻挑战；极紫外光刻机采用真空工作环境，可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差，同时也使整个测量系统结构针对空气- 真空适应性设计的复杂性大幅度增加。2）皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年， 国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基 金会（DFG）共同批准了中德合作项目“皮米级多轴 超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”（2021 至 2023 年）。该项目由本课题组与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成，预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪，并进行国际范围内的直接 比对。3）空间引力波探测。继 2017 年美国 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后，各国纷纷开展了空间引力波探测计划，这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中，中国的空间引力波探测计划，将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上，实现皮米精度的超精密测量，本课题组在引力波国家重点研发技术项目的支持下，将陆 续开展卫星- 卫星之间和卫星- 平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究，特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作，预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。本课题组在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过 20 年的研究基础，建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队，并且在研究过程中得到了 12 项国家自然科学基金、2 项国家科技重大专项、2 项 国家重点研发计划等项目的支持，建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台，开发了系列超精密激光干涉测量仪，在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用，推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展，并将通过进一步研发，为我国下一代极紫外光刻机研 发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。全文详见：超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器.pdf

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员高克林、管桦实验团队与研究员史庭云理论团队，联合加拿大新不伦瑞克大学教授严宗朝、加拿大温莎大学教授G. W. F. Drake、海南大学教授钟振祥、浙江理工大学讲师戚晓秋等实验团队，在少电子原子体系——锂离子精密谱研究中取得重要进展。该研究将6Li+离子23S和23P态超精细结构劈裂的测量精度提高至10kHz水平，并精确确定了6Li原子核的电磁分布半径(Zemach半径)。这一基于原子精密光谱的工作独立于原子核模型，为揭示锂原子核结构、特别是6Li核的奇特性质以及检验相关的核结构模型提供了重要依据。该工作将进一步促进Li+离子精密光谱的实验和理论研究，推动少核子体系核结构理论与实验的开展。 　　少电子原子体系(如氢、氦原子以及类氢、类氦离子等)精密谱的实验与理论研究在检验束缚态QED理论、确定精细结构常数、获取原子核结构信息以及探索超越标准模型的新物理中颇具应用价值，是当前精密测量物理的重点方向。 　　高克林、管桦实验团队与史庭云理论团队等合作，开展类氦锂离子精密谱研究已逾十年。该团队基于电子碰撞电离方案研制了一台亚稳态Li+离子束源装置，各项性能指标(束流强度、发散角、稳定度等)均达到同类装置较高水平。该研究利用该装置产生的离子束，采用饱和荧光光谱测量方法精确确定了7Li+离子23S1和23PJ能级的精细结构和超精细结构劈裂，不确定度小于100kHz。该团队将实验与理论相结合，精确确定了7Li原子核的Zemach半径。 　　在饱和荧光光谱方法中，该研究受制于谱线的渡越时间展宽，得到的兰姆凹陷线宽达50MHz，大于谱线的自然线宽(3.7MHz)，由此得到的测量结果具有较大的统计不确定度。为了进一步提高测量精度，该工作利用三驻波场光学Ramsey技术消除谱线的渡越时间展宽，获得线宽约5MHz的Ramsey干涉条纹，统计不确定度减小至kHz量级；通过抑制量子干涉效应、一阶多普勒效应、二阶多普勒效应、Zeeman效应以及激光功率等各项系统误差，实现了10kHz精度的6Li+离子23S1和23PJ能级的超精细结构劈裂。该超精细结构劈裂的测量精度较先前结果提高5~50倍。在理论方面，该团队计算了包括高阶量子电动力学(QED)效应在内的6,7Li+离子23S和23P态超精细劈裂。该研究包含完整的mα6阶相对论和辐射修正，理论精度较先前结果有所提升，且理论与实验符合程度较好。科研人员通过比较6,7Li+离子的理论计算和实验测量值，得到6Li和7Li原子核的Zemach半径分别为2.44(2)fm和3.38(3)fm，确认了7Li的核Zemach半径比6Li的大40%这一反常现象，并发现了由6Li+的23S态超精细劈裂确定的Zemach半径与核物理方法得到的值3.71(16)fm存在显著差异，表明6Li核可能具有反常的核结构。该成果将进一步推动更多相关理论和实验的发展。 　　相关研究成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青年创新促进会和中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。锂离子Ramsey光谱测量

十几年前，当数位战略科学家聚首探讨精密测量物理学科发展走向时，他们预判中国会一步步缩小和国际先进水平的差距，有一天会走在国际前沿，甚至引领发展。他们没料到的是，这一天来得如此之快，当然也没料到“卡脖子”同样来得很快。当下，世界正经历百年未有之大变局，科研环境也发生了巨大变化。所幸十几年前，在国家自然科学基金等的资助下，我国布局了一批前瞻性、引领性的基础研究。在国家自然科学基金重大研究计划——“精密测量物理”项目稳定资助下，我国不仅在精密测量领域取得了多项“世界最好”“精度最高”的成就，凝聚、培养了一支队伍，大大增强了在该领域的国际话语权和竞争力，还辐射带动了相关学科发展。“算是对我们10年‘打工’的鼓励吧。”谈及“精密测量物理”重大研究计划的研究成果对相关学科的引领带动作用，中国科学院院士，华中科技大学、中山大学教授罗俊的语调中透着实现“小目标”的轻松。实际上，这项超前布局的研究计划仅酝酿谋划就用了5年时间。此后在研10年，“聚队伍、聚智慧、聚重点、聚资源、聚突破”，项目成果全面超越预期目标。“十几年前，国家自然科学基金支持一批科研人员开展精密测量物理研究确实很有开拓性。”罗俊告诉《中国科学报》，“这项研究计划虽然圆满结题了，但精密测量永无止境，精益求精是无尽的追求。”破局，始于“香山科学会议”2008年7月，第327次香山科学会议（创立地点及会址在北京香山）破例在位于湖北省武汉市的华中科技大学召开。7位院士、50余位物理学家相聚喻家山，参加为期3天的“精密测量物理和方法”主题研讨会。“在香山科学会议之前，叶老师（中国科学院院士叶朝辉）和几位专家动念提出开展‘精密测量物理’研究，是因为我们遇到了一些问题。”罗俊回忆说，“当时我国很多学科面临怎样向前沿延伸的困境。一个严峻的现实是，我们的科研仪器基本全靠进口。别人生产的仪器卖给我们之前，实验室里该做的研究都做完了，我们一直跟在后面做，这样很难触及科学最前沿。”没有自己的仪器，跻身前沿都很难，更别说超越引领。科研仪器如此重要，但问题是，这种尖端的科研仪器谁来研制？在此背景下，叶朝辉等人提出了“精密测量物理”的概念。“我们现在对‘精密测量物理’有很多期待，赋予它很多内涵。但当时的出发点和最基本的想法就是做出一套最先进的仪器给科学家用。”罗俊说，“要挺进学科最前沿，验证物理学家的想法，进行实验研究，必须有自己的仪器设备。”香山科学会议后，叶朝辉、罗俊等人在国家自然科学基金支持下，开始推动重大研究计划立项，在数理科学部的主持下，组织双清论坛进行论证。2013年，“精密测量物理”重大研究计划获准立项。引领，辐射学科带动人才按照该重大研究计划最初的设计，研究目标分为三部分。一是精密测量工具仪器研制，以时间频率测量为代表，将光频这些和国际水平差距较大且非常基础的测量仪器“做上去”；二是在更高精度上测量物理基本常数并检验物理基本规律，这是精密测量物理的难点和重点；三是研究精密测量新体系，发展新方法和新技术，不断突破测量极限，包括突破标准量子极限等。实际上，在该重大研究计划执行的10年中，他们不仅圆满完成了三大目标，还屡屡取得突破性进展，获得多项“世界最好”“精度最高”的成就。“这项重大研究计划的特点之一是带动了整个中国精密测量物理学科的发展。”中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员詹明生说，“也带动了其他一些项目，辐射和延伸到了相关领域，比如影响了中国科学院的先导科技专项，带动基于原子分子的物理研究向精密测量物理延伸。”中国科学院国家授时中心研究员张首刚认为，该重大研究计划的意义在于10年前就有了明确目标，把精密测量这项前沿基础研究和国家战略需求相结合，从而做出一系列方向性、引领性的研究工作。“通过国家自然科学基金项目牵引，这些年我国精密测量物理研究队伍不断壮大，并从基础研究向前沿基础研究推进。”张首刚说，“我们不但超额完成了该重大研究计划的各项指标，还产生了原创性的想法，取得一批‘国际首次’级的成果，并在部分领域领先国际。”“量子精密测量是精密测量物理的一个前沿方向，很多微弱信号测量，比如引力波探测、量子操控、原子分子和光物理等研究都离不开精密测量。”上海交通大学教授张卫平补充道，“这个项目将我们的学术生涯和国家战略需求完美对接起来，我觉得最大成果之一是凝聚并培养了一支队伍。”清华大学教授尤力同样认为，这是个高瞻远瞩的研究计划。“过去四五年，国际科研环境发生了巨变，出现了更多的不确定性。我们必须科学上自主、技术上独立。好在我们进行了预研，建立了这么一支队伍。”求精，追求永无止境精密测量物理对实验条件要求极高，数千米外的振动、电流波动、地球磁场，甚至空气温湿度都会影响测量精度。为避免外界扰动，30多年前，罗俊等人就将实验室建在位于喻家山的一个山洞里。在罗俊团队的引力常数测量进行到关键时期时，地方政府按规划准备在喻家山下修一条路。“修路会引发两个问题：一是山体稳定性发生变化，这些微小变化会导致实验环境不稳定；二是修路过程中及修好后，车辆经过产生的震动会影响测量精度。”了解到罗俊的担忧，华中科技大学和武汉市都非常支持实验研究。最后，武汉市调整道路规划，终止了道路修建。得益于安静的实验环境，罗俊团队测出了世界上测量精度最高的G值（引力常数）。至今，该数值仍保持着世界第一的纪录。“精密测量物理要测的通常是非常小的数值，它无限趋近于‘0’，但永远不会达到‘0’。例如，我们进行粒子、量子、多粒子纠缠等前沿研究，背景补偿（抵消环境磁场的影响）做得越好，测量结果就越准。”尤力感慨地说，“我们测一个量，总希望向小数点后再多推一位，但最终要推到什么地方、推到什么程度，没有人知道。所以精密测量物理没有止境，需要长期坚持，也需要长期支持。”“精密测量的本质是永无尽头。”罗俊说，“精密永无止境。这种无限精密、精益求精的特点造就了精密测量物理研究者不断提高精度、不断开发新技术，挑战新极限的信念。”传承，精密测量精神“我们常说十年磨一剑，从事精密测量物理研究真的需要长期积累。”华中科技大学教授胡忠坤说，“它需要10年、20年，甚至更长时间才有可能见到成效，因此研究者要耐得住寂寞，但也需要得到长期稳定的支持。”“精密测量物理有两个特点：一是高精尖，二是研究周期特别长。”山西大学教授张靖补充说。20世纪90年代初，张靖还在华中科技大学读本科，有时会到位于喻家山山洞的实验室上课。他记得当时山洞两边都是实验室，里面很安静，感觉很神秘。“精密测量物理研究不是三两个人花两三年时间就能取得成果的。罗老师选择在山洞里做实验，还带出一支队伍，一步步把精度提高再提高，确实很有魄力。”张靖说。“我们国家的科学研究已经形成了崭新的局面，上了一个历史性的新台阶。现在我们山洞的实验条件是30年前根本无法想象的，每个实验室都‘鸟枪换炮’，不知道好到哪儿去了。”罗俊说，“但当初也没觉得条件多艰苦，因为有兴趣、有追求，希望能精益求精，所以并未在意‘苦’还是‘不苦’。”“进行精密测量物理研究，总是想精益求精，把精度提高点，再提高点。”清华大学教授尤力对《中国科学报》说，“进实验室打开仪器，我们就知道北京地铁4号线列车什么时间进站、什么时间出站，地铁运转产生的磁场会严重影响原子能级……”尽管北京地铁4号线从清华大学、北京大学两所高校旁通过时采取了一系列减震措施，但轻轨列车进站减速、出站加速时电流变化产生的磁场，还是会影响1.5公里外清华大学的原子分子与光物理实验。磁场变化会引起原子能级移动，给光学测量带来不确定性，使科学家无法判断是否出现了误差。虽然研究人员已经习惯在夜深人静时做实验，但很多扰动仍无法避免。“我们做原子分子与光物理研究时，原子的磁矩就像一块小磁石，它周围的磁场扰动会让原子磁矩抖动，导致测量信号不确定。”尤力说，“环境中各种扰动、噪声、磁场等都会影响测量结果。”尤力团队曾对实验室环境进行检测，不只地铁4号线列车进出站，包括地球磁场、实验室照明电路，甚至光学实验平台上的金属器件（螺丝钉、钻头等）所带磁性都会影响测量精度。“这些磁场是‘躲不掉’的，那就想办法把它‘干掉’。”尤力说。在多次测量、分析、计算的基础上，尤力团队创造性地应用了“背景补偿”这样一个解决方案。简单地说，就是针对一些无法改变的干扰因素，比如地球磁场、实验室电流磁场等，研究人员先测出环境磁场强度，计算出平均值，然后绕制一个通电线圈，使其产生相反的磁场，用“前置反馈”的手段，将环境磁场的磁力抵消。“用‘前置反馈’补偿（抵消）背景磁场是个亮点。”中国科学院院士，华中科技大学、中山大学教授罗俊说，“虽然‘前置反馈’不是新概念，但要把它做成，需要很好地掌握背景磁场，用它解决问题简单、高效。”“我们用的物理概念并不新鲜，但它能解决实际问题。”尤力说，“我们用一块电路板就解决了问题，同很多兄弟单位分享了这项技术，能为大家做点事我很高兴。”在反馈补偿技术的“加持”下，尤力团队取得了一系列重要突破。他们突破了标准量子极限测量非经典双数态新体系，解决了双数态确定性制备难题，该体系在原子数、原子数涨落、压缩系数以及相干性等多项重要指标上远超国际同类实验。团队通过调控量子相变过程，解决了传统动力学制备方法所存在的问题，在国际上首次确定性地制备了大粒子数双数态87Rb原子玻色爱因斯坦凝聚体。目前，该实验平台能在40秒内确定性地制备约1万个粒子组成的多体纠缠态，从非纠缠的初态到双数态凝聚体的转换效率高达（96±2）%。该双数态的量子噪声的压缩度为（13.3±0.6）dB，是国际同类实验中最好的指标。双数态的相干性更是达到了接近理想值的0.99，远优于此前国际上最好的0.9。由此，实验可以表征的纠缠粒子数也是目前能确定性制备量子纠缠数目的世界纪录。这项工作大大提高了双数态在精密测量中的实用性，首次验证了量子相变可以作为制备多体量子纠缠态的有效手段，为纠缠态的制备提供了新思路。追求极限, 刷新“钙帮”世界纪录近年来，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员高克林团队研制出不确定度为 3×10-18（相当于105亿年不差1秒）、稳定度为6.3×10-18@524000s的钙离子光频标，成为第五种不确定度指标达10-18水平的光频标、第二种稳定度达10-18量级的离子光频标，并研制出目前搬运距离最远的光钟，实现精度达到10-16的钙离子光频的溯源测量。该成果被国际时间频率咨询委员会推荐为次级秒定义。“钙离子有很多优点，比如其光频跃迁是搭建高精度光频标的理想参考，可有效抑制离子特有的微运动频移。其离子的量子态制备、激光冷却及钟跃迁探测所用的激光均可用商品化的半导体激光器发射，因此极有可能实现广泛应用。”高克林说，“但是钙离子光频标也面临两个世界级难题：一是钙离子对磁场非常敏感；二是钙离子在室温下对黑体辐射效应（环境温度）敏感。”频率标准研究对外场控制（环境中各种效应，如振动、噪声、磁场和温度等）的要求非常高，国际上许多光频标研究机构已经放弃参考钙离子搭建高精度光频标。目前，国际上仅有锶原子光频标、镱原子光频标、铝离子光频标，以及镱离子光频标的不确定度达到10-18量级。“能否直面这些国际难题，将钙离子光频标推进至更高精度是我们面临的艰巨挑战。”高克林说，“在叶朝辉、罗俊院士领导的精密测量项目专家组与频标科学家王义遒、王育竹、李天初等人的关心和支持下，我们一步步解决了这些难题，将钙离子光频标推至国际第一方阵。”为进一步提高钙离子光频标的性能，研究人员通过改进钟跃迁激光性能，建立了第二台钙离子光频标并进行比对，大幅降低了电四极频移、光频移和微运动频移，实现了不确定度达5.5×10-17、稳定度达7×10-17的钙离子光频标。2018年，团队通过“魔幻射频囚禁场”抑制了微运动频移，又通过降低黑体辐射频移、改进光频标伺服软件等措施，进一步将钙离子光频标不确定度提升至2.2×10-17。2019年，通过对两台钙离子光频标长达31天的频率比对，研究人员测得稳定度达到6.3×10-18@524000s。为降低钙离子光频标黑体辐射频移的影响，团队将离子阱置于液氮低温环境中，使黑体辐射频移对温度的敏感度降低了约两个数量级。与国际上采用的液氦系统相比，液氮系统造价低廉、操作简单。但缺点是使用中液氮会蒸发，系统运行时液氮容积变化易造成离子位置移动，从而导致荧光信号损失。为解决低温系统问题，研究人员反复迭代和纠错，并采用清华大学教授尤力团队的“前置反馈”技术，大幅降低了背景磁场噪声。最终，该团队在国际上首次实现了液氮低温钙离子光频标，不确定度达到3×10-18。2020年，该团队实现钙离子光频标系统集成、可靠和高精度运行等关键技术突破，研制出一台精度24亿年偏差不到1秒的可搬运钙离子光钟，首次将钙离子光频测量精度推进到国际最高水平，并实现从武汉到北京千公里级车载搬运。“研究钙离子的人称自己为‘钙帮’。”高克林说，“在实验关键时期，大家加班轮岗的故事很多，但没人觉得辛苦，因为热爱，所以乐在其中。”在精密测量领域实现量子优势前不久，中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟，中国科学技术大学教授陆朝阳等基于“九章二号”中自主设计的受激双模量子压缩光源，结合非线性干涉仪，提出并演示了一种新方案来实现可扩展的、无条件的、鲁棒的量子精密测量优势。相关成果发表于《物理评论快报》。“实际上，该成果是在‘精密测量物理’重大研究计划前期工作的基础上衍生出的一项新成果。”陆朝阳告诉《中国科学报》。“精密测量物理”重大研究计划有几个子研究方向，其中中国科学技术大学团队的目标更具探索性质，主要是基于单光子和纠缠光子探索精密测量的新原理、新方法。在研期间，团队基于高品质单光子和多光子纠缠突破超越标准量子极限，在国际上首次同时解决了单光子源的三个关键问题，实现国际上综合性能最优秀的单光子源。“制备单光子源是这个重大研究计划中的一项代表性工作。”陆朝阳解释说，“进行量子精密测量或量子计算时，有用的是单光子源。这就像幼儿园小朋友‘排排坐’，如果有100个小朋友，每个小朋友坐一条板凳是理想状态。但自然界的光源（灯光或阳光）是热光源，它们衰减之后只有约8%是单光子（相当于一个小朋友坐一条板凳），约90%是‘空板凳’，另有2%是两个或多个光子（一条板凳上坐多个人）。在量子技术中，‘空板凳’无法用于测量，而一条板凳坐多个人会引起测量误差。因此，科学家要在实验室通过主动量子调控制造一种非经典的量子光源。”精密物理测量往往会受一些在原理上都无法避免的“散粒噪声”的影响。因此，任何测量都存在精度极限。不过，量子光源可以打破这种物理极限。中国科学技术大学团队用制备出的新光源进行测量，发现它比之前用激光光源测量的精度提高了0.6dB，而且首次实现了强度压缩。此后，该团队又研发出“九章”系列光量子计算原型机。在“九章二号”的相关研究中，团队受到激光的启发，发明了一种受激辐射放大量子光源的新方法。在调节这种新光源的位相时，他们意外发现数据对相位特别敏感。“我们当时灵机一动，想利用这个现象做量子精密测量。”陆朝阳说。抱着试试看的想法，研究人员基于“九章二号”中自主设计的受激双模量子压缩光源，结合非线性干涉仪，提出了一种新方案来达到海森堡极限。该方案同时具有可扩展性、无条件优势、对外部光子损失鲁棒等优点。在未扣除任何实验噪声的情形下，在相位测量实验中直接观察到的单光子信息量（用于衡量测量的精度），达到了目前国际最高水平。精密物理测量领域有一个共识：如果把精度向前推进一个数量级（10倍），就有可能发现新物理、新规律。这一次，中国科学技术大学团队基于量子受激光源发展出新的量子精密测量技术，将测量精度极限提高了5.8倍。“学术界将量子计算在特定问题上的能力超越经典的超级计算机的里程碑称为‘量子计算优越性’。现在，类似的，我们又首次实现了‘量子精密测量优越性’。”陆朝阳说，“这有点像立体农业中塘中养鱼、塘泥肥田，在国家的整体布局下，量子信息的基础研究不仅开花结果，还可催生肥鱼。”