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。”

测量是科学技术的基础，以量子精密测量为代表的先进测量技术成果不断涌现，必将进一步提高人类科技发展水平，变革生产制造模式，促进社会经济发展转型升级。但前沿技术的落地应用首先要弥合技术的信息鸿沟。国仪量子联合权威专家团队，与新能源、半导体、生命科学、医疗健康、能源勘探、航空航天、 基础科研、计量学等领域的一线行业伙伴，联合编撰了《量子精密测量行业赋能白皮书》。白皮书从用户维度出发，分为技术简介与产业应用两大版块，通过大量的案例切入行业痛点，并针对性提出赋能解决方案。完整白皮书欢迎扫码/点此下载作为国内量子信息产业化的引领者，国仪量子团队长期从事量子精密测量这一前沿技术的探索，并率先开启了量子信息产业化实践。通过白皮书，国仪量子希望让广大行业伙伴了解量子科技的最新成果和创新思维，共同将量子精密测量这一先进测量技术打造为服务产学研用的普惠技术。

光学计量仪器作为现代科学和工业领域中不可或缺的工具，通过利用光学原理进行精确测量，在各个领域发挥着重要作用。本文将介绍光学计量仪器的定义、原理以及其在科学研究和工业应用中的重要性。　　第一部分：光学计量仪器的定义和分类　　定义：光学计量仪器是基于光学原理设计和制造的精密测量设备，用于测量长度、角度、形状等物理量。　　分类：光学计量仪器可以根据其功能和应用领域进行分类，包括测微计、激光干涉仪、投影仪、扫描电子显微镜等。每种仪器都有其特定的测量原理和适用范围。　　第二部分：光学计量仪器的原理和工作方式　　光学原理：光学计量仪器利用光的传播和反射、折射等特性进行测量。例如，激光干涉仪利用激光光束的干涉现象测量长度和形状，投影仪通过光学系统投影图像进行测量等。　　工作方式：光学计量仪器通常利用光源、探测器、光学透镜和其他相关组件构成测量系统。通过精确的光学路径设计和信号处理，可以实现高精度的测量结果。　　第三部分：光学计量仪器在科学研究中的应用　　物理学研究：光学计量仪器在物理学领域中广泛应用，例如用于测量材料的光学性质、表面形貌和精细结构等，为理论研究提供重要数据。　　生物医学研究：在生物医学研究中，光学计量仪器可用于测量细胞、组织和生物标本的大小、形状和表面特征，为疾病诊断和治疗提供依据。　　材料科学研究：光学计量仪器在材料科学领域中用于测量材料的机械性能、光学性能和电子性能，为新材料的开发和应用提供支持。　　第四部分：光学计量仪器在工业应用中的重要性　　制造业：光学计量仪器在制造业中广泛应用，例如测量零部件的尺寸和形状，确保产品的精度和质量。　　航空航天：光学计量仪器可用于航空航天领域中对飞行器、航天器以及相关部件进行精确测量，确保飞行安全和性能。　　汽车工业：在汽车制造中，光学计量仪器可用于测量汽车外观、内饰和关键零部件的尺寸和形状，确保产品符合设计要求。　　光学计量仪器作为精密测量的利器，在科学研究和工业应用中发挥着不可或缺的作用。通过利用光学原理和精确的测量系统，这些仪器能够提供高精度、可靠的测量结果，满足各行各业对于精密测量的需求。　　随着科技的不断进步，光学计量仪器也在不断创新和发展。新的技术和方法被引入，以提高测量精度、扩大测量范围和增加测量功能。同时，仪器的便携性和自动化程度也得到了提升，使得使用更加方便和高效。　　然而，光学计量仪器的应用并不仅限于科学研究和工业领域。在日常生活中，我们也可以发现它们的身影。例如，眼镜店使用计量仪器来准确测量眼镜度数；珠宝商使用显微镜和投影仪来评估珠宝的品质和工艺。　　总之，光学计量仪器在现代社会中扮演着重要的角色，推动着科学技术的发展和产业的进步。通过持续的创新和应用，光学计量仪器将继续为我们提供精密测量的利器，助力于各个领域的科研、生产和品质控制，推动着社会的发展和进步。

以下文章来源于中国物理学会期刊网 ，作者陈耕 李传锋中国物理学会期刊网.中国物理学会期刊网(www.cpsjournals.cn)是我国最权威的物理学综合信息网站，有物理期刊集群、精品报告视频、热点专题网页、海内外新闻、学术讲座，会议展览培训、人物访谈等栏目，是为物理学习和工作者提供一站式信息服务的公众平台。|作者：陈耕1,2,† 李传锋1,2,††(1 中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室)(2 中国科学技术大学 合肥国家实验室)本文选自《物理》2023年第6期01理论背景不断提升测量精度是科学研究发展的一个源动力。科学技术发展到今天，很多里程碑式的进步都得益于测量精度的提升。一个众所周知的例子是2016年引力波的成功探测[1]，验证了爱因斯坦广义引对论的预言。然而从激光干涉引力波天文台(LIGO)建成到第一次探测到引力波整整花了17年时间，这是科学家们不断改进装置以提升探测精度的结果。最近科学家们在引力波探测中使用了量子压缩的光源，进一步提升了探测精度，使得现在几乎每周都可以观测到引力波。用新的原理方法、技术手段提高测量精度，本身就是自然科学研究的一个重要方向，我们称之为精密测量研究。科学界一般使用测量的不确定度Δ随所使用的测量资源N的下降速率来刻画一个测量系统的测量能力。经典方法能达到的极限是Δ随N的0.5次方成反比下降，也就是我们所称的标准量子极限(standard quantum limit)。需要注意的是，虽然名字中带有“量子”，但是这个下降速率是经典方法能达到的极限。如果能把测量中所有的技术噪声都压制到很低，从而使量子涨落成为主要噪声，就可以达到这个极限。但是在实际测量场景中，起主导作用的经常是各种技术噪声，这时放大信号提升信噪比是一个提升最终精度的有效途径。一个典型的方法是“弱测量”方法，它可以后选择(post-selection)出移动幅度最大的一小部分探针，从而将信号放大100倍甚至1000倍以上。中国科学技术大学研究团队使用了一种改进型的偏置弱测量方法，在放大信号的同时大幅降低了探测器的光电饱和效应，相比标准弱测量方法的探测精度又提升了一个数量级[2]。但是这种弱测量方法并不能超越标准量子极限，因为它本质上是经典光的干涉效应。02量子精密测量量子精密测量是最近十年来在量子信息研究中一个蓬勃发展的领域，旨在利用量子的方法和资源实现突破标准量子极限的测量精度。如前所述，引力波探测装置使用量子压缩光之后可以实现超过标准量子极限的测量精度，这充分证明了量子精密测量的可行性和重要性。那么一个对于量子力学本身的理解和实际测量精度都很重要的问题是：量子精密测量可以提供的精度极限在哪里？实际上对于这个问题，海森伯在1927年就给出了很好的答案，也就是海森伯不确定原理。它是量子力学的一个基本原理，根据这个原理给出的最高测量精度我们称之为海森伯极限：即测量的不确度Δ与N的1次方成反比下降。因此，量子精密测量的一个重要任务是发明新的方法和量子资源来逼近这个极限。光或原子的压缩态不可能达到这个极限，因为实际实验中压缩比总是有限的。一个原理上可以达到这个极限的方法是使用多体纠缠态，比如在量子信息中常使用的N00N态，它通常具有如下的形式：这个形式的物理理解为：N个粒子同时处于0状态，或者同时处于1状态，这两种可能性之间是量子相干叠加的。显然N个没有关联的个体不可能处于这样的状态，因为它们中每个都可能处于0或1态，造成总的状态有2N种可能。这样一种量子资源原则上可以实现海森伯极限的测量精度，但是一个现实的困难是，N很大的量子态很难确定性地产生。利用光子可以实现大约10个光子的纠缠，但是产生和探测效率都极低。即便可以确定性地产生和探测10光子纠缠，一个经典的激光脉冲可能含有1010以上的光子，即便取0.5次方的反比，不确定度也比10光子纠缠达到的1/10小4个数量级。因而现阶段使用N00N态进行精密测量只是原理上演示了一种潜在的优势，并不具有实际价值。2018年，来自于中国科学技术大学的研究团队发展了一种量子化的新型弱测量方法。这种方法用光子数的混态作为探针，以单光子的量子叠加性作为量子资源，实现了对单光子克尔效应反比于N的1次方的测量精度，反比系数约为6.2[3]。该工作的最好精度相当于使用N = 100000的N00N态可以达到的效果，并优于之前最好的经典方法[4]一个数量级。不久后，该团队又通过使用单光子投影测量代替混态探针，实现了逼近海森伯极限的测量精度，反比系数进一步降低到了1.2[5]。其最好精度相当于使用N = 1000000的N00N态可以达到的效果，并优于之前最好的经典方法[4]两个数量级。虽然是在一个特定的测量任务中进行的，但是这两个工作首次实现了在实际测量任务中达到海森伯极限并优于经典方法，充分展现了量子精密测量的优势。海森伯极限被学术界广泛认为是量子力学所允许的测量极限，是否有可能超越这个极限一直是学术上备受关注和存在争议的问题。2011年，Napolitano等人的一个工作声称超越了海森伯极限[6]，对光非线性系数测量达到反比于N的1.5次方的超海森伯极限。但是这个工作后来受到了广泛的置疑甚至是批评[7—9]，因为所使用的资源为光子通过原子团产生的经典非线性，其哈密顿量里已经含有了N的平方项。在以所使用的总能量作为规范化资源定义的前提下，这个工作甚至没有超过标准量子极限。03基于量子不定因果序的精密测量近些年来，一种新的量子结构，即量子不定因果序(indefinite causal order，ICO)引起了学术界极大的研究兴趣。量子力学显然允许一个粒子处于不同状态的量子叠加，比如光子可以处于不同偏振叠加态，原子可以处于不同能级的叠加态。事实上，量子力学还允许两个演化不同的时序之间的量子叠加，这点显然不同于经典世界的因果关系。在经典世界里，如果两个事情A和B之间存在关联，那么它们之间孰因孰果是确定的。如果A发生在B之前，那必然A是因B是果；反过来的话，就是B因A果。而在量子世界里，两个事件可以处于如图1所示的两个相反时序的量子叠加上，也就是说孰因孰果这个问题是不确定的。这样的系统状态可以表示为：图1 量子不定因果序的示意图。图中的薛定谔猫处在先过左边门后过右边门和先过右边门后过左边门这两种相反时序的量子叠加态这样一种新的量子结构已经被证明在各种量子信息过程中可以提供进一步的量子增强。比如降低量子计算问题中的复杂度，提升量子通信中通过信道的互信息量。尤其让大家感觉到意外的是，2020年香港大学的一个理论工作证明[10]，量子不确定因果序可以在精密测量中突破海森伯极限，达到前所未极的反比于N的2次方的超海森伯极限。这样一个理论突破考虑了由两组连续变量进行N次独立演化产生的几何相位A的测量，比如一个变量是坐标空间的本征值x，另外一个变量是动量空间的本征值p。传统确定因果序的方法在这样一个测量问题中最好的精度极限是海森伯极限，可以由如图2(a)所示的串行测量装置达到。如果把这样两组演化制备到两个相反时序的叠加上，如图2(b)所示，就可以获得一个随着N2A增加的总体相位，也就是获得了指数加速的能力，从而对几何相位的估计可以达到反比于N2的精度，也就是超海森伯极限。图2 (a)确定性因果序方法通过分别测量x的N 步演化和p 的N步演化来估计两种演化产生的几何相位；(b)两组演化可以制备到两种相反时序的量子叠加上，两种时序如图中的蓝色和橙色线路所示；(c)实验结果(黑色方点)证明量子不定因果序方法可以达到超海森伯极限精度(红线)，并优于确定因果序方法能达到的最好精度(蓝色虚线)这样一个结果在实验实现上遇到了很大的困难，因为它同时涉及到了离散变量和连续变量体系，并且需要将这两种体系纠缠起来，也就是利用离散的量子比特状态去控制两组连续变量的演化时序。量子信息方案中的离散变量体系无法实现连续变量的演化，而连续变量体系无法把两组演化制备到两个相反时序的量子叠加上。中国科学技术大学的团队通过构造一种全新的杂化(hybrid)装置实现了这样一个量子结构[11]，用光子的偏振状态来控制光子横向模式的位置和动量的演化。他们用特制的光学元件精准实现了这两个连续变量的多步微小演化，在一个接近1 m长的马赫—曾德尔(MZ)干涉仪的两臂上分别实现了两个时序相反的演化过程。实验结果对几何相位的测量精度可以达到如图2(c)所示的超海森伯极限，并且优于任意确定因果序方案能达到的最高精度。这个实验中所使用的探针是单个光子，所以每次测量所需要的能量与N无关。在以能量为规范定义的前提下，这是目前唯一可以达到1/N2超海堡极限的实验工作。这一点和以经典非线性作为资源的工作形成了鲜明对比。同时在这样一个测量任务中，两种时序所能达到的精度已经是最优的结果，用更多的时序并不能获得更好的测量精度。这使得用光子的二维偏振就可以控制不定因果序，而不需要更高维度的离散变量。特别值得强调的是，这样一个实验在演示的范围内已经实现了相对于传统方法的绝对优势，而不仅仅是一种潜在的优势。因为这个实验中N代表的是独立演化的次数，而不是量子态的规模。如N00N态精密测量所具有的潜在优势无法变成现实优势，就是因为现阶段量子态的规模无法做大。04总结和展望一个无法避免的情况是，关于海森伯极限是否是量子力学的最终极限的争议会一直持续下去，这主要是由学术界对测量资源定义的不统一所导致的。用量子不定因果序可以实现超海森伯极限的测量精度也必然会引起学术界的广泛讨论和争议。但是如果我们搁置这些争议，从一个更加现实的角度去考量这种新方法，它确实达到了比之前任何确定因果方法都要更好的测量精度，这种优势独立于海森伯极限该如何定义这样一个深刻的问题。当然另外一个值得思考的问题是，不确定度反比于N的2次方是不是测量精度的极限？是否有方法可以达到更高的极限，比如反比关系是N的3次方，4次方……这仍然是一个未解之谜。参考文献[1] Abbott B P et al. Phys. Rev. Lett.，2016，116：061102[2] Yin P et al. Light Sci. Appl.，2021，10：103[3] Chen G et al. Nature Communications，2018，9：1[4] Matsuda N et al. Nature Photonics，2008，3：95[5] Chen G et al. Phys. Rev. Lett.，2018，121：060506[6] Napolitano M et al. Nature，2011，471：486[7] Zwierz M et al. Physical Review A，2012，85：042112[8] Berry D W et al. Phys. Rev. Lett.，2012，86：053813[9] Hall M J et al. Physical Review X，2012，2：041006[10] Zhao X et al. Phys. Rev. Lett.，2020，124：190503[11] Yin P et al. Nature Physics，2023，https://doi.org/10.1038/s41567-023-02046-y

近日，央视《经济半小时》栏目聚焦报道合肥“场景创新”相关经验成绩，国仪量子发展的量子精密测量技术产业化成果受到关注。在采访中，国仪量子董事长贺羽表示，国仪量子源于中国科学技术大学，承接了实验室的科技成果转化。目前，我们（国仪量子）可以在一个比头发丝还要细一百倍、肉眼看不见的这样的一根针尖上，去人工制备一个量子传感器，这个传感器它的大小大概只有原子尺度，它有更高的分辨率和更高的灵敏度，可以测到过去我们测不到的信号。比如，人在想问题时大脑产生的磁场。这么精细灵敏的传感器，可以应用于对癫痫的病灶定位、测心脏产生的磁场，可以对心肌缺血和冠心病进行早期的筛查和诊断。震撼发布！引领磁传感领域进入量子时代作为量子信息技术产业化的引领者，国仪量子在今年世界制造业大会期间，面向全球发布了一款可用于心磁、脑磁、地磁等弱磁场精密测量的“量子自旋磁力仪”。该设备利用碱金属原子外层电子自旋性质，以泵浦激光作为操控手段，使碱金属原子产生自旋极化。在外界弱磁场的作用下，碱金属原子发生拉莫尔进动，改变对检测激光的吸收，从而实现高灵敏度的磁场测量。量子自旋磁力仪具有灵敏度高、体积小、能耗低、易于携带的特点，未来将引领人类在科学研究、生物医学等磁传感领域进入量子时代。量子精密测量，赋能产业焕新！国仪量子的核心技术是以量子精密测量为代表的先进测量技术，致力于为全球范围内企业、政府、研究机构提供以增强型量子传感器为代表的核心关键器件、用于分析测试的科学仪器装备、赋能行业应用的核心技术解决方案等优质的产品和服务。　　测量是科学技术的基础，以量子精密测量为代表的先进测量技术成果不断涌现，必将进一步提高人类科技发展水平，变革生产制造模式，促进社会经济发展转型升级。今年5月，国仪量子联合权威专家团队，与新能源、半导体、生命科学、医疗健康、能源勘探、航空航天、 基础科研、计量学等领域的一线行业伙伴，联合编撰并发布了《量子精密测量行业赋能白皮书》。从用户维度出发，通过大量的案例切入行业痛点，针对性提出赋能解决方案。

由国际测量与仪器委员会(ICMI)、国家自然科学基金委员会、中国计量测试学会和中国仪器仪表学会联合主办，哈尔滨工业大学仪器科学与技术学科和国际测量与仪器委员会(ICMI)等承办的第八届精密工程测量与仪器国际学术会议(ISPEMI 2012)近日在成都举办。哈尔滨工业大学谭久彬教授担任会议主席并主持会议。 会议现场 　　本次会议主题为“量子计量、极端测量、创新仪器技术与精密工程”，大会荣誉主席、中科院成都光电所姜文汉院士，四川大学高洁院士，德国联邦物理技术研究院(PTB)精密工程部首席科学家阿哈默德阿布扎伊教授以及大会合作主席牛津大学托尼威尔森院士等出席会议。共有来自德国、美国、英国、日本、俄罗斯等13个国家和地区的240余名代表参加会议。7位国际著名专家学者作了大会特邀报告。会议研讨内容涉及仪器理论与方法学、新原理仪器与系统、超精密传感技术、先进光学加工与测量技术、微/纳制造与测量技术、生物医学光学与仪器技术、激光测量与仪器技术和光电仪器技术等前沿方向和仪器学科领域重大热点问题。 　　会议共组织了16个分会、口头报告 91篇、专题邀请报告26篇、张贴报告131篇。 　　本次会议收到论文340余篇，收录论文230篇。 国际光学工程学会(SPIE)作为本系列会议的协办单位，论文全部收入SPIE出版的论文集，并由EI全部收录。

德国“工业4.0”与”中国制造2025“发展战略，对高端装备中的超精密测量精度要求越来越高。激光因其高方向性、高单色性、高相干性等特点，具有高准确度、非接触、稳定性好等独特优点，在超精密加工和测量领域应用广泛。激光干涉仪以光波为载体，利用激光作为长度基准，是迄今公认的高精度、高灵敏度的测量仪器。激光束通过分光镜后，分成两束激光（参考光束和测量），分别经两个角锥反射镜反射后平行于出射光返回，通过分光镜后进行叠加（两束激光频率相同、振动方向相同且相位差恒定，即满足干涉条件），产生相长或相消。反射镜每移动半个激光波长，将产生一次完整的明暗干涉现象，通过接收到的明暗条纹变化及电子细分，即可求得距离变化（距离=干涉条纹数*激光半波长）。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作。激光干涉仪原理构造激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器，根据测量原理分为脉冲法和相位法。脉冲激光测距法由于激光发散角小，激光脉冲持续时间极短，瞬时功率极大可达兆瓦以上，可以达到极远的测程，广泛应用在地形地貌测量、地质勘探、工程施工测量、飞行器高度测量、人造地球卫星相关测距、天体之间距离测量等方面。第二届精密测量技术与先进制造网络会议期间，清华大学与哈尔滨工业大学两位专家将分享激光精密测量技术、仪器及应用。部分报告预告如下，点击报名  》》》清华大学精密仪器系系副主任/副教授 谈宜东《激光干涉精密测量技术、仪器及应用》（点击报名）谈宜东，清华大学精密仪器系长聘副教授，博士生导师，副系主任；基金委优秀青年科学基金获得者，英国皇家学会牛顿高级学者，教育部创新团队负责人。中国电子信息行业联合会光电产业委员会副会长、中国仪器仪表学会机械量测试仪器分会常务理事。主要从事激光技术和精密测量应用等方面的研究工作。作为负责人承担国家自然科学基金，装发和科工局测试仪器领域关键技术攻关项目，科技部重点研发计划课题，军科委基础加强，重大科学仪器专项等多个项目。在Nature Communications, PhotoniX, Optica, Bioelectronics and Biosensors, IEEE Transactions on Industrial Electronics等期刊发表SCI论文100余篇，授权发明专利37项，在国际会议Keynote/Plenary/Invited报告60余次。先后获日内瓦国际发明展金奖，中国激光杂志社主编推荐奖，中国光学工程学会技术发明一等奖，中国电子学会技术发明一、二等奖多项。【报告摘要】 以传统激光干涉为引，介绍清华大学激光精密测量及应用团队在双频激光器、干涉仪及在光刻机中的精密测量应用，并拓展到空间引力波测量。针对传统干涉测量需要配合靶镜的局限性，提出激光回馈测量原理，实现了无靶镜纳米测量，攻克了航空航天、先进制造和国防安全领域的无靶镜测量难题，并开展了多种应用研究，包括：位移测量、激光侦听、高精度激光测距及雷达技术等。哈尔滨工业大学副研究员 杨睿韬《短脉冲光频梳激光测距技术》（点击报名）杨睿韬，哈尔滨工业大学副研究员，博士生导师。研究方向为超精密激光干涉测量，重点攻关短脉冲/光频梳生成与稳频、光梳激光测距等关键技术，承担国家重点研发计划课题/子课题、国自然面上等项目，参与国家科技重大专项、欧盟计量联合研究计划等项目。获中国计量测试学会科技进步一等奖(序4/6)、全国优秀博士学位论文提名等奖项。担任国际SCI期刊Photonics客座编辑。发表学术论文20余篇，申请发明专利10余项，出版专著1部。指导哈工大优秀本科/硕士毕业论文共5人，指导大学生光电设计竞赛国赛一等奖等2项。【报告摘要】 激光测距技术是大范围、高精度空间几何量测量的核心技术基础。短脉冲光频梳的诞生极大的推动了该技术领域的发展，其独特的时域短脉冲序列、频域等间隔梳状多光谱特征，不仅大幅提高了经典的飞行时间、调制波测相、多波长干涉等测距方法的性能，更引领了一系列新型激光测距方法的发展。本报告分析了短脉冲光频梳激光测距方法及趋势，介绍了项目组在短脉冲光频梳激光测距领域的最新进展。更多详细日程如下：第二届精密测量与先进制造主题网络研讨会报告时间报告题目报告嘉宾单位职称12月14日上午09:00-09:30纳米级微区形态性能参数激光差动共焦多谱联用测量技术及仪器赵维谦北京理工大学 光电学院院长09:30-10:00扫描白光干涉表面形貌测量技术：原理及应用苏榕中国科学院上海光学精密机械研究所研究员10:00-10:30先进封装工艺中三维几何尺寸监控的挑战与布鲁克白光干涉技术的计量解决方案黄鹤布鲁克（北京）科技有限公司应用经理10:30-11:00激光干涉精密测量技术、仪器及应用谈宜东清华大学 精密仪器系系副主任/副教授11:00-11:30关节类坐标测量技术于连栋中国石油大学（华东）教授12月14日下午14:00-14:30基于相位辅助的复杂属性表面全场三维测量技术张宗华河北工业大学教授14:30-15:00短脉冲光频梳激光测距技术杨睿韬哈尔滨工业大学副研究员15:00-15:30机器人精密减速器及关节测试技术程慧明北京工业大学 博士研究生15:30-16:00纳米尺度精密计量技术与国家量值体系施玉书中国计量科学研究院纳米计量研究室主任/副研究员16:00-16:30尺寸测量，从检验走向控制与孪生李明上海大学教授为促进精密测量技术发展和应用，助力制造业高质量发展，仪器信息网联合哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院，将于2023年12月14日举办第二届精密测量技术与先进制造网络会议，邀请业内资深专家及仪器企业技术专家分享主题报告，就制造中的精密测量技术等进行深入的交流探讨。报名页面：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/precisionmes2023/

（从左到右分别为，联公精密测量联合创始人陈方，首席科学家马蒂亚斯，东南大学仪器科学与工程学宋爱国教授。）3月14日，为深入贯彻落实加强基础研究，实现高水平科技自立自强，建设世界科技强国的方针。《溅射技术在高精度力学传感器上的应用》技术研讨会在东南大学召开。此次技术研讨会校企合作，协同创新，实现科技仪器设备的自主可控搭建平台。由东南大学机器人传感与控制技术研究所、中国仪器仪表学会力触觉感知与交互专业委员会与IEEE机器人与自动化学会南京分会主办，联公精密测量技术（合肥）有限公司协办。在研讨会上，联公精密测量有限公司的首席科学家，马蒂亚斯与联公精密测量联合创始人陈方先生首先介绍了当前德国同行在力学传感器制造领域相对成熟的技术，东南大学首席教授宋爱国随后介绍了团队在力反馈应用技术当中所作出的进展。中国航天科技44所与江苏省计量院的专家们同时参与了会议。2022年国金证券的一份调研报告指出，中国科学仪器市场的国产化率只有5%。而现在更加火热的半导体设备的国产化率是18%。科学仪器属于国产替代难度系数最高的领域之一，业内普遍认为需要5-10年的攻克时间，而科学仪器的高端市场更是完全被外资品牌垄断，形势非常严峻，而其“卡脖子“的难点在于仪器核心的传感器以及配合高端传感器的经验算法。东南大学与联公精密测量有限公司未来会携手将一种新型的溅射技术引用到力学传感器的制造工艺当中，此项尝试可以非常有效地降低传感器使用的环境要求，对高低温，真空高压，高辐射，潮湿腐蚀等恶劣环境，针对当前的航天领域，半导体制造领域有着至关重要的作用，可以有效的避免核心零部件频繁替换所带来的不利影响。同时，联公还即将突破高精度实验室称重仪器的完全国产化。据不完全统计，从2020年开始，在中国工业市场，国产替代的旺盛已逐渐体现，而企业与高校同心协力，发挥各自的优势，可早日实现用我国自主的研究平台、仪器设备来解决重大基础研究问题的需求。

量子力学是近代科学技术的支柱，可以追溯到1895年X射线的发现，之后普朗克于1900年提出量子论， 1905年，爱因斯坦提出光量子的概念。此后，量子力学迎来了蓬勃发展，广泛应用于诸如原子弹、晶体管、激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻等领域的研究中，被称为“第一次量子革命”。近年来，“第二次量子革命”被提出，不同于“第一次量子革命”对量子现象的理解和直接利用，对微观量子世界进行被动观察和解释，“第二次量子革命”通过掌控量子效应、定制量子系统，扎根于纯粹量子效应的量子技术，以实现对量子状态进行人工制备和主动调控。量子科学很可能是21世纪促进人类文明进步的最重要基础科学。“第二次量子革命”的提出，引发了各国的关注，面临着激烈的国际竞争态势。2016年5月，欧盟发布《量子宣言》；同年12月，英国发布《量子时代》；2018年9月，美国公布《量子信息国家计划》；同年 11月，德国发布《量子技术-从科研到市场》。此外，中国、日本等均发布了国家支持计划，谷歌、华为、微软、IBM等也加入了量子产业竞争。2020年3月12日，在发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中更是将量子信息列到了科技前沿领域攻关的第二位，要求实现量子精密测量技术突破。而近日，德国提出了量子系统新的研究计划，德国联邦教研部随后将在该议程基础上推出2022年开始的量子系统研究计划。未来德国量子领域的研究重点主要是量子计算机、量子通信、量子测量技术、量子系统的基础技术。量子科学技术受到广泛关注主要是由于其可以突破信息和物质科学技术的经典极限。量子科学技术主要研究方向包括量子通信，量子计算和量子精密测量。量子精密测量的基本原理是利用磁、光与原子的相互作用，实现对各种物理量超高精度的测量，可大幅超越经典测量手段。目前量子精密测量已在生物与医疗、食品安全、化学与材料科学等领域显示出其独特的优势和广阔的应用前景。但我国量子精密测量在系统工程化和实用化仍有待探索，科研成果转化应用机制不成熟，产业合作和推动力量有限。为推动量子精密测量产业化进程，2021年4月23日，第十五届中国科学仪器发展年会（ACCSI2021）将召开量子精密测量产业化发展论坛，邀请领域内技术专家教授、研究院、技术公司、资本投资专家等，共同研讨如何推进并加快量子精密测量产业化。现诚邀各领域相关从业人员参加学习 ! （报名参会） ACCSI 2021“量子精密测量产业化发展论坛”邀请报告及报告嘉宾一、论坛时间：2021年4月23日 9:00-12:00　　二、论坛地点：无锡融创万达文华酒店　　三、参会嘉宾：领域内技术专家教授、研究院、技术公司、资本投资专家；相关仪器企业及上下游企业董事长、总经理、总工、市场总监、研发总监、销售总监等。　　四、会议形式：现场会议 / 线上会议内容嘉宾国仪量子：引领量子精密测量技术产业化国仪量子 联合创始人、CEO贺羽皮秒高重频相干脉冲产生及量子光学应用复旦大学 教授吴赛骏量子测控系列新品在量子精密测量领域的应用国仪量子 测控事业部总经理吴亚量子精密测量在地球物理探测中的应用国仪石油技术（无锡）有限公司 系统工程师孙哲新型电子信息功能材料的原子构筑和性能调控中国科学技术大学 教授廖昭亮基于量子精密测量的科学仪器——从系综到单自旋国仪量子 高级应用工程师代映秋2021第十五届中国科学仪器发展年会(ACCSI2021)将于2021年4月21-23日在无锡市召开。ACCSI定位为科学仪器行业高级别产业峰会，经过14年的发展，单届参会人数已突破1000人，被业界誉为科学仪器行业的“达沃斯论坛”。ACCSI2021以“创新发展，产业共进”为主题，力求对过去一年中国科学仪器产业最新进展进行较为全面的总结，力争把最新的产业发展政策、最前沿的行业市场信息、最新的技术发展趋势、最新的科学仪器研发成果等在最短的时间内呈现给各位参会代表。会议期间将颁发 “年度优秀新品”、 “年度绿色仪器”、“年度行业领军企业”、“年度十大第三方检测机构”、“年度售后服务厂商”、“年度网络营销奖”“年度人物”等多项行业大奖，引领科学仪器产业方向。参会咨询报告及参会报名：010-51654077-8124 13671073756 杜老师 15611023645李老师 赞助及媒体合作：010-51654077-8015 13552834693魏老师微信添加accsi1或发邮件至accsi@instrument.com.cn （注明单位、姓名、手机）咨询报名。报名链接：https://insevent.instrument.com.cn/t/qK 报名二维码扫描二维码查看最新会议日程

量子钻石单自旋谱仪是一台以NV色心自旋磁共振为原理的量子实验平台。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对钻石中氮—空位（NV色心）发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，具有初态是量子纯态、自旋量子相干时间长、量子操控能力强大、量子塌缩测量实验结果直观等独特优势。带有负电的NV色心具有优良的量子特性。当施加532nm的绿色激光，电子从基态跃迁到激发态，从激发态衰减到基态的过程中，会发出红色荧光。ms=0态的荧光强度比较强，而ms=±1态发出的荧光比较弱，可以通过荧光强度区分自旋状态。量子钻石单自旋谱仪具有超高灵敏度与纳米级超高分辨率，能在室温大气条件下运行，可以完成单分子、单细胞的微观磁共振谱学和成像。该谱仪具备高保真度量子自旋态调控技术，通过自主研发的50ps时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件，能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。与谱仪配套的高智能化控制与信号采集软件，能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验，是科研实验的好搭档。公司同时具有完善的高品质金刚石探针制备工艺，可以自主制备长相干时间、高稳定度的金刚石探针。产品参数：产品特点：实现单自旋灵敏度，纳米级分辨率的磁共振谱学方法；50皮秒时间精度，超高谱线分辨率，高保真度量子自旋态操控；智能化仪器控制和信号采集；完善的金刚石探针制备技术；可进行长时间无人值守实验。欢迎下载样本了解更多产品详情。 创新点：量子钻石单自旋谱仪是一台以NV色心自旋磁共振为原理的量子实验平台。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对钻石中氮—空位（NV色心）发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，其具有超高灵敏度与纳米级超高分辨率，可以完成单分子、单细胞的微观磁共振谱学和成像，可在室温大气条件运行，对于生物样品具有良好的兼容性。与传统顺磁共振、核磁共振相比，具有初态是量子纯态，自旋量子相干时间长，量子操控能力强大，量子塌缩测量实验结果直观等独特优势。 带有负电的NV色心具有优良的量子特性。当施加532nm的绿色激光，电子从基态跃迁到激发态。从激发态衰减到基态的过程中，会发出红色荧光。ms=0态的荧光强度比较强，而ms=± 1态发出的荧光比较弱，可以通过荧光强度区分自旋状态。 钻石单自旋量子精密测量谱仪

center img style=" width: 368px height: 400px " title=" " alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441271.jpg" height=" 400" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 368" / /center p style=" text-align: center " 　　精密坐标测量 /p p 　　 strong 精密测量技术 /strong /p p 　　现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。 /p p 　　在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智慧化的发展趋势。三坐标测量机(CMM)是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时，作为下世纪的重点发展目标，各国在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。 /p p 　　 strong 三坐标测量机 /strong /p p 　　三坐标测量机作为几何尺寸数字化检测设备在机械制造领域得到推广使用。 /p p 　　1、误差自补偿技术 /p p 　　德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术，使坐标测量机的测量精度在17.8～25.6℃范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441250.jpg" height=" 286" width=" 278" / /center p style=" text-align: center " 　　CNC小型坐标测量机 /p p 　　2、丰富的软件技术 /p p 　　CarlZeiss 公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括X-BAR& amp R及X_BAR& amp S图表、频率直方图、运行图、目标图等。 /p p 　　美国公司的Cameleon测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50多个测量模块。 /p p 　　日本Mistutor公司研制开发了一种图形显示及绘图程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。 /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441295.jpg" height=" 333" width=" 484" / /center p style=" text-align: center " 　　STRATA-UX系统处理简图 /p p 　　3、非接触测量 /p p 　　基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。 /p p 　　该方法克服了接触测量的局限性。将激光双三角测量法应用于大范围内测量，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可高于1μm。英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其它厂商提供的接触式或非接触式探头。 /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441352.jpg" height=" 357" width=" 241" / /center p style=" text-align: center " 　　IMP型坐标测量机 /p p 　　 strong 微/纳米级精密测量技术 /strong /p p 　　科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，即微/纳米技术。 /p p 　　纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。 /p p 　　微/纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如HP5528双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。 /p p 　　因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。 /p p 　　1、扫描探针显微镜 /p p 　　1981 年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜，把人们带到了微观世界。它具有极高的空间分辨率，广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域，在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似的原理与结构，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或接口纳米尺度上表现出来的性质的扫描探针显微镜(SPM)，用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息，成为人类认识微观世界的有力工具。下面为几种具有代表性的扫描探针显微镜。 /p p 　　(1)原子力显微镜(AFM) /p p 　　为了弥补STM只限于观测导体和半导体表面结构的缺陷，Binning等人发明了AFM，AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运动，通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移，实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测，从而得到表面形貌信息。 /p p 　　就应用而言，STM主要用于自然科学研究，而相当数量的AFM已经用于工业技术领域。1988年中国科学院化学所研制成功国内首台具有原子分辨率的AFM。安装有微型光纤传导激光干涉三维测量系统，可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜可使目前纳米测量技术定量化。 /p p 　　利用类似AFM的工作原理，检测被测表面特性对受迫振动力敏组件产生的影响，在探针与表面10～100nm距离范围，可以探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作用力，相继开发磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微镜等，统称为扫描力显微镜。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441475.jpg" height=" 229" width=" 600" / /center p style=" text-align: center " 　　原子力显微镜及工作原理 /p p 　　(2)光子扫描隧道显微镜(PSTM) /p p 　　PSTM的原理和工作方式与STM相似，后者利用电子隧道效应，而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激起的瞬衰场，其强度随距接口的距离成函数关系，获得表面结构信息。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442144.jpg" height=" 198" width=" 270" / /center p style=" text-align: center " 　　光子扫描隧道显微镜 /p p 　　(3)其它显微镜 /p p 　　如扫描隧道电位仪(STP)可用来探测纳米尺度的电位变化 扫描离子电导显微镜(SICM)适用于进行生物学和电生理学研究 扫描热显微镜已经获得了血红细胞的表面结构 弹道电子发射显微镜(BEEM)则是目前唯一能够在纳米尺度上无损检测表面和接口结构的先进分析仪器，国内也已研制成功。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442219.jpg" height=" 194" width=" 362" / /center p style=" text-align: center " 　　扫描隧道电位仪 /p p 　　2、纳米测量的扫描X射线干涉技术 /p p 　　以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸，这是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度(0.10～0.01nm)尺寸测量的定标手段。 /p p 　　美国NIST和德国PTB分别测得硅(220)晶体的晶面间距为192015.560± 0.012fm和192015.902± 0.019fm。日本 NRLM在恒温下对220晶间距进行稳定性测试，发现其18天的变化不超过0.1fm。实验充分说明单晶硅的晶面间距具有较好的稳定性。 /p p 　　扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中的一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小两个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率。该方法较其它方法对环境要求低，测量稳定性好，结构简单，是一种很有潜力的方便的纳米测量技术。 /p p 　　自从1983年D.G.Chetwynd将其应用于微位移测量以来，英、日、意大利相继将其应用于纳米级位移传感器的校正。国内清华大学测试技术与仪器国家重点实验室在1997年5月利用自己研制的X射线干涉器件在国内首次清楚地观察到X射线干涉条纹。软X射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。迈克尔逊型差拍干涉仪，适于超精细加工表面轮廓的测量，如抛光表面、精研表面等，测量表面轮廓高度变化最小可达0.5nm，横向(X，Y向)测量精度可达0.3～1.0μm。渥拉斯顿型差拍双频激光干涉仪在微观表面形貌测量中，其分辨率可达0.1nm数量级。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442402.jpg" height=" 354" width=" 351" / /center p style=" text-align: center " 　　迈克尔逊型差拍干涉仪 /p p 　　3、光学干涉显微镜测量技术 /p p 　　光学干涉显微镜测量技术，包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P(Ferry-Perot)标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率，如光外差干涉轮廓仪具有0.1nm的分辨率 基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度，其精度可达0.001nm，但其测量范围受激光器的调频范围的限制，仅有0.1μm。而扫描电子显微镜(SEM)可使几十个原子大小的物体成像。 /p p 　　美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统，位移分辨率高于0.6nm，可在1.1m/s的高速下测量，适于纳米技术在半导体生产、数据存储硬盘和精密机械中的应用。 /p p 　　目前，在微/纳米机械中，精密测量技术一个重要研究对象是微结构的机械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。微细结构的缺陷研究，如金属聚集物、微沉淀物、微裂纹等测试技术的纳米分析技术目前尚不成熟。国外在此领域主要开展用于晶体缺陷的激光扫描层析技术，用于研究样品顶部几个微米之内缺陷情况的纳米激光雷达技术，其探测尺度分辨率均可达到1nm。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442693.jpg" height=" 269" width=" 400" / /center p style=" text-align: center " 　　以激光波长为已知长度利用迈克耳逊干涉系统测量位移 /p p 　 strong 　图像识别测量技术 /strong /p p 　　随着近代科学技术的发展，几何尺寸与形位测量已从简单的一维、二维坐标或形体发展到复杂的三维物体测量，从宏观物体发展到微观领域。 正确地进行图像识别测量已经成为测量技术中的重要课题。 /p p 　　图像识别测量过程包括：(1)图像信息的获取 (2)图像信息的加工处理，特征提取 (3)判断分类。计算机及相关计算技术完成信息的加工处理及判断分类，这些涉及到各种不同的识别模型及数理统计知识。 /p p 　　图像 /p p 　　测量系统一般由以下结构组成。以机械系统为基础，线阵、面阵电荷耦合器件CCD或全息照相系统构成摄像系统 信息的转换由视频处理器件完成电荷信号到数字信号的转换 计算机及计算技术实现信息的处理和显示 回馈系统包括温度误差补偿，摄像系统的自动调焦等功能 载物工作台具有三坐标或多坐标自由度，可以精确控制微位移。 /p center img alt=" " src=" http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442902.png" height=" 243" width=" 547" / /center p style=" text-align: center " 　　图像测量系统结构 /p p 　　1、CCD传感器技术 /p p 　　物体三维轮廓测量方法中，有三坐标法、干涉法、穆尔等高线法及相位法等。而非接触电荷耦合器件CCD是近年来发展很快的一种图像信息传感器。它具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确及敏感单元尺寸小等优点。随着集成度的不断提高、结构改善及材料质量的提高，它已日益广泛地应用于工业非接触图像识别测量系统中。 /p p 　　在对物体三维轮廓尺寸进行检测时，采用软件或硬件的方法，如解调法、多项式插值函数法及概率统计法等，测量系统分辨率可达微米级。也有将CCD应用于测量半导体材料表面应力的研究。 /p p 　　2、照相技术 /p p 　　全息照相测量技术是60年代发展起来的一种新技术，用此技术可以观察到被测物体的空间像。激光具有极好的空间相干性和时间相干性，通过光波的干涉把经物体反射或透射后，光束中的振幅与相位信息。 /p p 　　超精密测量技术所代表的测量技术在国防、航天、航空、航海、铁道、机械、轻工、化工、电子、电力、电信、钢铁、石油、矿山、煤炭、地质、勘侧等领域有极其广泛的应用，在国民经济建设中占有重要的地位。在发展高端装备制造业的背景下，提高我国在超精密测量方面的科研实力和技术水平，成为不得不解决的迫切问题。 /p

6月28日，由中国科学院院士、国际大地测量协会会士、大地测量与地球物理学家孙和平研究员领衔的“孙和平院士精密测量科普工作室”揭牌仪式在中国科学院精密测量科学与技术创新研究院举行。据了解，这是精密测量领域内全国首个以院士领衔命名的科普工作室。“没有测量就没有科学”，测量是人类认识世界和改造世界的重要手段。精密测量是现代科学研究的基础，与人们日常生活和各行各业息息相关，例如医学影像、北斗定位导航、珠峰高程测量、神舟飞船与天宫空间站交会对接等。“差之毫厘，谬以千里”。开展精密测量科学传播，是提升公众科学素质的重要途径。工作室将围绕精密测量领域、公众关注的焦点、行业应用等热点话题，通过各种形式，以通俗易懂的语言，向大众传播精密测量科技知识及科学思想。结合科普“五进”（进机关、进学校、进企业、进社区、进农村）及媒体平台等开展系列科普活动。孙和平院士精密测量科普工作室由武汉市科学技术协会、武昌区人民政府主办，中科院精密测量院承办，中科院武汉分院为支持单位，并首次联合了大地测量与地球动力学、波谱与原子分子物理两个国家重点实验室等科技创新力量，已吸纳院士、行业高级专家和科技志愿者等近80人加入。仪式上，中国科学院院士孙和平、武汉市副市长陈红辉共同为工作室揭牌。市科协副主席郑华、武昌区人民政府副区长王飞签署院士精密测量科普工作室共建协议。武昌区区委书记余松、武汉市科协党组书记、副主席陈光勇见签。中国科学院院士孙和平、刘买利、精密测量院党委书记冯灿为工作室专家代表郝晓光、雷皓、闫昊明、李发泉、庄艳华、崔小明等颁发聘书。精密测量院院长罗志强介绍，近年来，该院组织50余名科技工作者在超过40所高校和中小学校进行了200多场科普活动，超万人参加，带动更多青少年讲科学、爱科学、学科学、用科学。精密测量院将全力支持孙和平院士精密测量科普工作室开展科普创作开发、热点问题解析等工作，为工作室的发展建设提供强有力的保障。中科院武汉分院院长袁志明表示，孙和平院士精密测量科普工作室的建立，是充分利用科技创新人才和高端科技资源的有效举措，是铸造“科普之翼”的有效途径，是科学家发扬“胸怀祖国、服务人民”的爱国精神，发挥“甘为人梯、奖掖后学”育人精神的具体体现。武汉分院将把科普工作室的建设，作为高端科技资源科普化、科普资源的开发与利用、科普人才队伍建设的重要内容和抓手，切实履行好中科院作为国家战略科技力量的职责定位。活动现场，孙和平院士以“我的精密测量重力与科研之路”为题，进行科普工作室“精密测量大讲堂”第一讲报告。报告以有趣的自然现象为切入点，围绕精密测量重力相关知识，结合自身求学和科研经历，讲述了大众关心的重力知识和重要科技应用以及对未来发展的思考，带来了一场精密测量重力知识的科普盛宴。

高端精密装备精度测量基础理论与方法谭久彬1 蒋庄德2 雒建斌3 叶 鑫4** 邾继贵5 刘小康6 刘 巍7 李宏伟4 谈宜东8 胡鹏程1 胡春光5 杨凌5 赖一楠4 苗鸿雁4 王岐东41. 哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院，哈尔滨 2. 西安交通大学 机械工程学院，西安3. 清华大学 机械工程系，北京4. 国家自然科学基金委员会 工程与材料科学部，北京 5. 天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 6. 重庆理工大学 机械工程学院，重庆 7. 大连理工大学 机械工程学院，大连8. 清华大学 精密仪器系，北京 摘要完整而精确的测量信息获取是装备设计优化、制造过程调控和服役状态保持的基础，是实现重大装备“上水平”“高性能”的内在要素。本文分析了我国高端精密装备精度测量基础理论发展所面临的重大需求挑战，总结了当前高端精密装备制造精度测量理论、方法与技术领域的主要进展，凝炼了该领域未来5~10年的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。关键词：精密测量；高端精密装备；可溯源；极限测量；多场耦合测量；半导体测量；大尺寸测量在以超精密光刻机、高端飞机舰船为代表的复杂战略性装备制造领域，多源、多维、多尺度的测量信息及其融合实现装备性能优化设计、部件精度检验匹配、制造过程精细调控、服役状态长期保持的核心技术，是实现重大装备“上水平”“高性能”的内在要素支撑。 高端装备性能指标逼近理论极限，结构极其复杂，尺寸更加极端，材料物化特性更加特殊，多物理场耦合效应更加显著，传统基于产品几何精度逐级分解单向传递的制造精度测量理论体系难以保证超高性能指标要求。一方面，几何制造精度对最终性能的影响非线性效应显著，在零件—部件—组件—整机高度相关的序列制造过程中，单个环节的精度失调失配都会耦合发散传递；为避免装备整体性能失控，必须具备大量程、高精度、高动态、全流程实时监控的测量能力，在整体系统层面进行精度协调优化，保障最终制造质量与性能；另一方面，为保证超高性能的稳定实现，必须最大限度消除内在应力，全面分析材料物性、几何结构、环境工况等要素变化及其相互影响，急需突破现有技术条件，通过多源、多维、多尺度测量信息获取，对制造过程进行全面控制，使整机装备运行于设计最优状态，从而保证最高性能表现[1-5]。在当前全球制造面临智能化升级，我国以超高精度光刻机、先进飞机船舶为代表的诸多核心装备普遍存在“卡脖子”现象的背景下，召集相关领域同行专家，为我国高端精密装备制造精度测量技术发展把脉选向、凝聚共识，研讨面向高端精密装备制造的高精度测量发展路线，尤为迫切重要。1 高端精密装备精度测量研究现状与挑战 当前高端装备制造已从传统机械、电子、光学等单一制造领域主导，发展为创新聚集、信息集成、智慧赋能的多领域综合复杂产业体系，涵盖从芯片等核心元件到高端飞机船舶等重大装备各个方面。高端装备最终能够实现的性能源于对每个环节精度的精细调控，源于对整体状态信息的充分获取，源于测量理论方法及技术设备的不断完善。探索建立面向复杂装备制造的测量理论、方法与技术，支撑多环节、多层次、高精度的精度匹配调控已经成为精密复杂装备制造中的重要基础问题，并聚焦于：极端条件下可直接溯源几何量超精密测量；多物理场耦合多约束精度调控；多源、多维、多尺度测量信息高性能传感；智能制造大场景精密测量方法等四个重要方面(图1)。图1 高端精密装备精度测量研究聚焦领域1.1 极端条件下可直接溯源几何量超精密测量 在高端精密装备制造领域，极端条件下的可直接溯源几何量超精密测量，贯穿了装备核心零部件制造、整机集成、在役工作、制品质量表征和工艺提升整个过程，是装备自身精度和装备线工艺质量调控不可或缺的核心技术基础。可溯源能力将超精密测量结果直接参考到国际计量基准，可为极限测量精度的稳定实现提供根本保证，最大限度提升装备性能和运行品质，是超精密测量技术的公认发展方向。 传统计量溯源体系建立在严格控制、环境稳定的实验室条件下，而高端精密装备制造及运行过程伴随高速运行、严苛环境等极端条件，对实现可直接溯源的几何量超精密测量提出严峻挑战。如在光刻机制造领域，基于干涉原理的超精密多轴测量可将测量结果溯源至光波长基准[6,7]，对提高装备精度性能意义重大。下一代EUV光刻机线宽将达到1 nm，其核心部件——双工件台的运动速度超过1 m/s。为在高速运行条件下保证优于1 nm的超高定位精度，需要对工件台和曝光镜头进行高达22轴的冗余测量（图2a）。能满足ASML光刻机测量要求的高端超精密双频激光干涉仪只有美国Keysight、ZYGO等公司生产，“卡脖子”问题严重。尤其在下一代光刻机开发中，针对更高速、更多轴数的纳米精度测量问题，国内相关技术与装备尚需从光源系统、信号处理系统、光学元件和集成式干涉系统等方面展开全面深入研究[3, 9]，追赶国际先进水平。 在航空航天特种装备领域，其高温、高压、高速、高真空等特殊使用环境也对超精密测量技术提出极高要求。如航空超高音速飞行器的新型复材的工作温度超过1600 ℃，准确测量复材热膨胀系数可为飞行器气动外形设计和全周期寿命评估提供重要依据（图2b）[10]；对地观测用相机的地面装调和在轨工作环境条件完全不同，迫切需要适应真空、超低温且失重环境的在线原位超精密测量技术支持等[11,12]。我国在极端条件下精密测量方面的研究总体处于起步阶段，相关测量理论、技术装备和实验条件仍不完备，面对国内相关需求的急迫性和普遍性，开展可溯源的极限测量技术攻关，将具有重要战略意义和社会效益。图2 可溯源的极限测量典型应用场景1.2 多物理场耦合多约束精度调控 高端装备制造与服役环境更加恶劣，性能要求更加苛刻，智能化要求更加迫切。复杂恶劣环境下多物理场高精度感知技术、智能在线动态监测技术、测量可靠性与可溯源性已成为实现高端重大装备智能制造与高可靠服役的核心驱动技术和本领域前沿热点、难点问题。 国内外学者在多物理场智能感知方面的研究，聚焦于智能制造过程中的多物理场在位测量与重构方法[13]、多物理场动态监测与预测方法[14, 15]、典型构件制造工艺参数调控方法[16]等方向。在工业应用层面，波音、空客等航空公司已应用数字孪生技术初步实现了零构件制造中全局力位状态监测，但当前仍处于系统工程技术探索与优化阶段。我国在装备构件制造及服役过程中的多物理场感知领域亦开展了较深入研究，如在飞机机翼、发动机压缩盘等薄壁件制造中位移/应变/温度场动态监测与重构[17-19]、复材构件加工中多物理场多参量监测[20]、装备服役过程温度场、磁场全场感知与动态重构等方面[21]，已形成了系列静/动态多物理场全场在线感知与重构方法，但尚未形成完备的理论与技术体系。面向高端装备制造及服役工况高温、强磁场、狭小空间等极端复杂化的发展新趋势，多参量测量及精度溯源、多物理量强耦合动态演变机制、多物理场全场状态与边界约束映射关系、工艺参数实时调控，以及航空高端装备制造及服役维护性能的高性能动态测量等方面的研究需求将更加迫切，未来需要重点关注复杂物理场耦合原位高精测试、智能制造中的多物理量测量与解耦等相关原理与技术（图3）。图3 复杂制造工况下多物理场智能感知测量需求1.3 多源、多维、多尺度测量信息高性能传感 半导体芯片产业是国民经济的关键基础，芯片制造已经上升为国家最紧急和最重要的战略任务之一。半导体芯片的制造是一项极其复杂的系统性工程，其制造质量高度依赖于高精度检测技术及设备的支持，检测技术呈现出多源、多维、多尺度、高性能感测等突出特点，研发难度大、综合要求高，相关高端仪器装备已成为我国重点“卡脖子”问题[22]。 在半导体芯片制造领域，台积电和三星已实现了5 nm制程大规模量产并正在开展3 nm制程试产，而国内目前14 nm以下制程尚未量产。同时，半导体芯片制程已经从二维向三维发展[23, 24]，现有技术难以对具有高深宽比纳米结构的三维芯片进行准确测量，新型测量方法和相关设备的技术革新迫在眉睫[25-29]。从半导体芯片的发展趋势看，未来在工艺制程中，测量精度必然要求达到亚纳米量级。由于界面效应和尺度效应的影响，在加工过程中材料除了发生几何尺寸变化，还时常伴随着理化属性变化，使得在高功率、高频以及高速运行状态下，芯片热态参数的获取成为技术挑战[30,31]。半导体芯片测量技术及装备除了要求具备传统几何量测量能力，还需要具备热、磁、电等多物理场表征能力，亟需开展微观尺度下超越散粒噪声极限的多维/多物理场芯片原位测试技术及仪器研究，形成具有自主知识产权的半导体芯片核心测量方法和技术，解决三维半导体芯片中纳米结构多维多尺度测量难题（图4），推动新一代半导体芯片制造技术的发展，为我国在芯片领域实现“并跑”甚至“领跑”提供支持。图4 半导体芯片制造过程多源、多维、多尺度测量信息高性能传感需求1.4 智能制造大场景精密测量方法 航空航天大型复杂装备的超高性能必须依靠精确外形控制来实现，外形尺寸信息是控制制造过程、保证制造质量、提升产品性能的关键条件。目前，以激光跟踪仪为代表的球坐标单站测量仪器仍是该领域主流测量设备。以大飞机机身制造为例，通过一台或多台跟踪仪对大部件关键控制点坐标进行精准测量，为姿态分析、工装协同定位提供基础数据和决策依据，已成为机身数字化对接、总装等核心环节的标准工艺要求[32,33]。 作为数字化制造的发展进阶，智能制造将进一步由针对少量工艺控制点的坐标测量定位拓展为对人员、设备、物料、环境等多元实体外形、位姿及相互关系的全面、全程测量感知，测量需求表现出全局、并发、多源、动态、可重构、共融等全新特点[34,35]。大规模、多层次、实时持续的物理空间数据获取，特别是高精度空间几何量获取是实现复杂装备智能制造的前提和国内外相关研究的关注重点。虽然新型跟踪仪、激光雷达等通过绝对测距技术创新部分克服了传统跟踪仪遮挡导致断光的问题，提升了测量效率，但单站球坐标测量模式原理上只能实现单点空间坐标顺序测量，视角受限、功能单一，无法满足智能制造现场多目标、多自由度、快节拍的自动化测量需求[36,37]。以室内GPS、激光跟踪干涉仪为代表的多站整体测量设备采用空间角度、长度交会约束原理实现大尺度空间坐标测量，具有时间和空间基准统一的突出优势，但系统组成较为复杂，误差因素多，精度控制难度大，简化结构、控制成本、提升动态测量性能是其未来面临的技术挑战[38-42]。目前，上述高端仪器大部分处于欧、美、日少数厂商垄断生产状态，针对“工业4.0”等智能制造场景的预研布局也已启动。国内高校及研究机构虽已开展相关仪器研制，还需紧密把握全球智能制造升级机遇，面向下一代智能制造大场景新需求新特点，持续探索精密测量新体制、新方法、新技术，实现原理、技术、器件、装备系统性突破（图5），为我国制造业升级转型提供强有力的测量感知技术支撑。图5 智能制造大场景精密测量需求2 高端精密装备精度测量未来发展趋势预测2.1 极端条件下可直接溯源几何量超精密测量发展趋势 (1) 几何量超精密测量精度极限即将进入皮米尺度。当前主流光刻机中平面反射镜面型测量精度优于1 nm，下一代面型检测重复精度将达到10 pm，光刻机集成和长期在役工作中超精密运动部件的测量精度正从1 nm量级突破至0.1 nm量级；硅片光刻过程特征线宽测量精度也已进入原子尺度；空间引力波探测装备中镜片面型检测精度达到0.1 nm，相对位移测量精度达10 pm。面向高端装备核心零部件制造的皮米级超精密测量已成为下一阶段发展必然要求和重点攻关方向。 (2) 从静态/准静态测量向高速高效动态测量发展。超精密机床、光刻机等加工装备中，超精密运动目标的速度从0.1 m/s量级逐步提升到3 m/s以上；引力波探测中超精密位移测量对象，也将从地面的静止目标转变为4 m/s的准静态目标。随着上述动态测量技术和仪器的发展，相应的仪器计量校准装置也需从目前的完全静态计量测试升级到高速率动态计量测试。 (3) 从一维单参量离线测量转向多维复杂参量在线、在役测量。光刻机、超精密数控机床等先进装备多参量耦合、多轴运动加工的工作特性对传统机床基于单维多步测量的定期校准方式提出巨大挑战，迫切需要嵌入可直接溯源的7~22轴精密仪器进行在线在役测量。航空发动机叶片测量中，传统离线条件下测量低速转动叶片形状精度已无法满足研制需求，实际高速转动工作状态下对叶片形状进行在线在役的超精密测量成为亟待解决的问题。 (4) 从传统物理量/场精密测试到基于量子传感的超精密测试。先进制造技术与装备在制造过程中需要开展位置、姿态、压力等多维力学量的超精密感知，磁、温、电等多物理场的精确测量，即高性能高质量信息传感能力。未来亟需突破超高精度、超高分辨传感与溯源等关键技术，不仅需要通过技术和工艺创新，实现传统传感技术的微型化、精密化和智能化，更要开展基于量子信息调控的多场解耦方法与信息解算关键技术研究，研制核心传感器件与测试仪器，实现传感技术的跨越式发展。2.2 多物理场耦合测量与精度调控发展趋势 (1) 面向重大装备的复杂物理场耦合原位高精度测试。重大装备制造、服役过程伴随高温、高压、高转速、高冲击等复杂物理场强耦合作用，常规方法“测不了”“测不准”“难存活”。聚焦极端环境下感知机理与信号传输、多场环境因子耦合作用机制与抑制、多场耦合环境标定与量值溯源等科学问题，重点研究复杂物理场强耦合环境下传感测试新方法、环境因子作用模型及抑制/衰减方法、封装防护、可溯源测试与标校方法等，发展面向精密复杂测量体系的人工智能技术，通过智慧赋能解决复杂物理场耦合环境下超/跨量程、大动态范围、高精度测试难题，为原位高精测试开辟新思路。 (2) 面向高端装备制造的多物理量测量与解耦。高端装备关键部件制造过程待测参量呈多元、高动态、强耦合、表里兼顾等发展新趋势，传统测量方法难以满足。聚焦多物理场敏感机制与一体化传感解耦、多物理场全场状态与边界约束间映射、复杂多因素强耦合测量精度调控等科学问题，强调多源数据的有效集成，重点研究高端装备多参数测量多敏感功能柔性传感器、复杂环境下多物理场全场状态信息智能感知与估算、多参量关联演变下的工艺参数调控等，为保障高端装备制造性能提供理论支撑与技术基础。 (3) 微纳尺度形态性能多参数测量。微纳制造过程中材料形态、性能参数变化过程相互关联耦合，多参数同时观测是准确揭示制造过程内在规律机理的前提条件。聚焦高空间分辨力激光共焦显微成像、近场光学显微成像和原子力显微成像等原理，重点研究上述显微成像技术与散射光谱、LIBS光谱和质谱的高效、高分辨率联合测量方法，研究新型光谱/质谱信息高灵敏度探测机理与方法，实现微纳米制造中微纳尺度下力学、热学、光学等性能的多参数高分辨、高灵敏、高准确探测。2.3 多源、多维、多尺度测量信息高性能传感发展趋势 (1) 纳米/亚纳米量级高分辨率检测。随着半导体工艺结点的不断缩小，高分辨率检测技术面临空前挑战。比如：EUV掩模版检测分辨率需要达到原子级，等效检测分辨率达到10 nm以下。目前仅有德国Zeiss和日本LaserTech有商业化产品，我国在这方面尚无技术储备；前道晶圆检测方面，世界范围内10 nm以下节点的CD和缺陷在线检测技术仍未成熟。 (2) 三维复杂微纳结构精确检测。芯片制程正在从二维向三维发展。具有三维结构FinFET已经成为14 nm以下乃至5 nm工艺节点的主要结构，存储芯片也向具有大深宽比（80∶1）三维垂直结构的3D NAND发展，工艺难度随层数呈指数上升，必须对芯片三维结构进行精确测量，才能指导工艺优化并保证芯片功能。但现有检测设备仍难以对上述结构进行无损定量检测，极限特征尺度下的大深宽比芯片结构检测已经上升为世界性难题。 (3) 满足量产速度的高性能在线检测。量产速度决定生产成本。根据英特尔发布的需求数据，更大晶圆尺寸和更小工艺结点已成发展趋势，裸晶圆的量产速度需达到2～3分钟/片，这对检测设备的速度提出了更高的要求，极大地增加了研制难度。目前满足量产速度的在线检测方法在全球范围内仍处于研究探索阶段，高性能在线检测技术与设备将在半导体产业发挥至关重要的作用。2.4 智能制造大场景精密测量的现状与发展趋势 (1) 新型智能制造综合测量系统构建理论。面向智能制造过程超高精度、高动态、多模态、多尺度、多维度测量需求的全局信息测量感知是当前研究重点和难点。需要从底层理念创新入手，探索覆盖复杂智能制造大场景需求的综合测量新理论，解决统一空间、时间基准构建，多物理场耦合约束条件下的精度调控，面向生产场景的测量系统设计重构等基础原理问题，突破具备多目标绝对测距能力的新型可溯源光学定位、制造场景多模型精度分析及优化设计、制造环境因素实时监测与修正等关键技术，最终构建可服务智能制造大场景、全流程的多维、多层次、多任务可溯源高精度综合测量体系。 (2) 广域全局空间、时间基准统一测试方法。基于“测量场”概念构建全域整体测量系统可实现大场景空间基准统一，具有多任务、高精度、可扩展等独特优势，进一步完善多体、多自由度动态测量能力是相关技术能否融入智能制造的关键和重点。需要突破现有静态测量理论框架，探索融合时间—空间信息的高精度、可溯源动态测量新原理方法，研究整体网络精确时统、多观测量高速同步获取、时间—运动—空间信息联合建模表达及精度控制、溯源与补偿等系列关键技术，有效提升测量网络动态测量能力。 (3) 物理信息融合测量新原理。通过测量完成物理状态到信息数据的高质量转换，是建立物理信息融合，实现智能生产和精准服务的基础前提。还可预见，在全新物理信息融合环境下，高性能算力大为丰富、多元要素交互更为广泛、大数据记录更加完备，将为机械测试学科发展更高性能的新型感知测量理论提供前所未有的基础条件。面向未来物理信息融合制造环境的测量新原理将改变以往从“物理”到“信息”的单向传感模式，引入有限元分析模型、人工智能、大数据挖掘等先进信息手段与AR、VR新型交互模式，和现有物理传感方法形成映射联动，实现多源时空信息处理与物理实测手段相互补充，构建面向“人—机—环”共融的测量新模式，为进一步突破现有测量方法物理分辨率，拓展机械测试学科研究领域提供新的基础手段。3 未来5～10年高端精密装备精度测量发展目标及若干建议 针对以超精密光刻机、高端飞机舰船为代表的复杂战略性装备制造的“卡脖子”测量难题以及未来发展战略，通过顶层设计、集中力量、先期布局和协同攻关，在未来5～10年时间应实现以下突破： (1) 微纳特征结构(深)亚纳米级在位/动态测量方法及微环境误差传递与微环境超精密调控基础理论，多维高速高动态超精密测量方法与动态计量校准基础理论，量子精密测量与溯源方法； (2) 面向高端制造的微区形态性能多物理场多参数耦合机理、不确定度评估与量值溯源，光子—声子/自旋量子调控及其高精度传感与测量方法，以及传感器件与测试仪器； (3) 面向半导体制造的电磁波与物质相互作用的纳米量测新机理，泛薄膜体系跨尺度光学精密测量新原理，接触—非接触复合测量新模式，以及测量装备的校准与可溯源问题； (4) 面向智能制造的新型可溯源光学定位原理方法，融合惯性、时间信息的高性能全局测量网络动态测量方法，现场环境因素实时监测与修正方法，以及物理—信息融合测量新原理与方法。 建议着重围绕以下4个领域，通过关键技术攻关、前沿探索及多学科交叉深入开展原创性研究。 (1) 面向高端精密装备的核心零部件加工、集成及服役中的精密测量基础理论与复杂物理场耦合原位高精测试理论； (2) 面向高端制造与微纳精密制造的多物理量、多参数的形性测量基础理论； (3) 面向半导体制造的测量新原理，特别是超光学衍射分辨极限、高性能非破坏、智能质量检测等方面的测量基础理论； (4) 面向智能制造的测量基础理论，特别是综合测量系统构建方法，现场广域全局空间、时间基准统一测试新方法，物理信息融合测量新原理等。4 结 语 在当前国际形势深刻复杂变化的时代背景下，发展自主可控的高端精密装备精度测量技术及仪器，满足我国以超高精度光刻机、先进飞机船舶为代表的诸多核心装备制造急需，为中国制造在智能化升级中提供强有力支持，是历史赋予的重要使命。精密测量技术研究必须坚决贯彻“四个面向”的科研思想，深入高端装备一线，持续跟踪、预判高端精密装备精度测量基础理论最新动向，抽取真科学问题，深度解决挑战性问题；必须快速推进基础研究、技术突破及成果转化，与国家重点领域发展规划无缝衔接，实现对国家重大产业亟需的快速响应。同时，建议今后对高端精密装备精度测量基础理论持续高强度支持，推动重点突破，设立重大项目、重点项目群、或重大研究计划，资助“极端条件下可直接溯源几何量超精密测量方法”、“多物理场耦合测量与精度调控”、“多源、多维、多尺度测量信息高性能传感”、“智能制造大场景精密测量方法”等前沿领域，引领机械测试研究新方向，推动全国优势研究资源的协同攻关，实现“并跑”，甚至“领跑”，为全面支撑我国高端装备制造能力跨越式发展提供精密测量理论与技术保障。参 考 文 献（略）

中国计量科学研究院专家接受本报记者采访时表示：日本地震对我国精密测量和计量产生影响 　　3月11日，日本东北地区发生9.0级强烈地震。中国计量科学研究院力学与声学研究所振动冲击研究室的副研究员蔡晨光在接受本报记者采访时表示，如此强度的大地震，对我国精密测量和计量将带来一些影响。 　　蔡晨光所在的振动冲击研究室是从事振动、冲击、转速3个计量专业的实验室。振动冲击转速计量是涉及多学科的动态测量技术，它广泛应用于机械制造、车辆船舶、航空航天地球物理、地质物探等众多科研和工程领域，在国民经济建设中发挥着十分重要的作用。蔡晨光说，日本地震对精密测量和计量的影响，从时间上可以分为两个阶段：第一个阶段是地震和余震持续发生时 第二个阶段是震后地质稳定周期。 　　这次日本地震的震级达到了9.0级，释放的能量较大，其低频振动分量传递较远，对我国高精密计量仪器有显著的影响。 　　据了解，高精密测量和计量仪器对环境振动的要求极高。美国环境科学和技术研究院经过大量的理论和实验研究推荐：微米级的测量要求1～100赫兹频带内的环境振动控制在12.5微米/秒以下(VC-C级)，否则无法保证精密测量的测量精度。例如，1000倍的精密显微镜，要想保证其测量精度，必须对环境振动进行严格控制，否则就会出现丢失像素，甚至丢失整帧图像的问题 而对于测量精度更高的扫描电子显微镜和透射电子显微镜，则要求环境振动控制在VC-D级(即1～100赫兹频带内的环境振动控制在6微米/秒以下) 对于纳米级的精密测量，例如半导体线宽、三磷酸腺苷及DNA测量，对环境振动的要求更高。美国国家标准和技术研究院(NIST)还针对纳米尺度的计量开展了大量研究，制定了纳米计量需要满足的环境振动标准。 　　据蔡晨光介绍，由于日本地震的影响，中国计量科学研究院的环境振动远远超出了精密计量所需要控制的量级。“虽然计量院昌平基地的一些精密实验室位于地下14米，可以隔离掉一部分地表传播的地震波，但是对于深度传播的低频地震波却无法进行有效衰减，致使高精密测量仪器无法正常工作。”他举例说，由于地震的影响，精密质量比较仪会长时间内无法稳定，致使高精度的质量量值无法传递和溯源 纳米尺度的精密测量仪器也会受影响而导致无法正常工作。 　　蔡晨光说，目前中国计量科学研究院昌平基地还没有建立起环境振动的实时监测系统，还无法实时、有效、准确地评估日本大地震这类偶发事件对高精度计量溯源系统的具体影响。“我国现在急需建立环境振动的实时监测系统。” 　　除了地震波给精密测量造成的直接影响外，在震后的地质稳定周期，精密测量和计量也会受到影响。据蔡晨光介绍，地震将会造成一定程度的地质运动，在震后需要长时间的稳定周期。例如由于地质的液化会造成地面倾斜，地面的倾斜角会在地质状况稳定过程中发生持续漂移变化，而地面倾斜角是精密导航系统中的一个关键参数，需要进行精确测量。 　　据介绍，在地质情况稳定状态下，地面倾斜角的累积变化量较小，不会对精密导航系统造成太大的初始误差。而当地震发生时，由于地质运动及地质液化造成的倾斜角偏移，将极大地改变当地的倾斜角，从而带来较大的初始误差。所以在地震发生后的很长一段时间内，都需要对倾斜角进行监测，从而保证导航测量的精准。 　　“在计量院昌平基地有很多精密隔振平台，这些平台上的很多测量系统对倾斜角都比较敏感。例如长度计量中，激光平台和被测平台可能在相邻两米的两个平台上，如果地面倾斜角发生0.001度的变化，垂直方向即会发生35 微米的位移变化，这么大的位移变化即使是微米级的测量都无法允许的，更不要说是纳米测量。”蔡晨光说，我国急需建立倾斜角测量系统和监测系统，来保障我国计量量值复现的准确性和可靠性。

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、项国勇研究组与香港中文大学袁海东教授合作，在量子精密测量实验中同时实现3个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法提高13.27分贝。该成果1月1日在线发表于《科学进展》。单参数量子精密测量是量子精密测量中最简单的问题，近年来在引力波探测等问题中有了重要应用。但多参数量子精密测量复杂得多，参数之间存在精度制衡。如何减少参数之间的精度制衡以实现多参数同时最优测量，是多参数量子精密测量的最重要问题之一。为了消除参数之间的精度制衡，研究人员将单参数测量实验中控制增强的次序测量技术应用到多参数测量中，通过调控量子系统动力学演化，完全解决了量子比特幺正演化算法中3个参数之间的精度制衡问题，实现3个参数同时达到海森堡极限的最优测量。这项成果对于推动量子精密测量与海森堡不确定性关系交叉发展具有重要意义，相关技术在实际测量中具有重要潜在应用价值。

随着科技的进步，人们想要了解的现象越来越精细、想测量的信号也越来越微弱。而微弱信号常淹没在各种噪声中，锁相放大器可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大器在光学、材料科学、量子技术、扫描探针显微镜和传感器等领域的研究中发挥着重要作用。国仪量子，赞1锁相放大器在精密磁测量中的应用在精密磁测量领域，特别是低频磁场测量领域，系综氮-空位（NV）色心磁测量方法发展迅速。其中连续波测磁系统是对NV色心施加连续的微波和激光进行自旋操控，从而实现高精度磁测量的实验系统。其基于NV色心基态的零场分裂和磁共振现象，当没有外磁场时，NV色心的ODMR谱如图所示，对NV色心打入共振频率的微波，其荧光强度最小。当存在外磁场时，外磁场会影响NV色心的塞曼劈裂的能级差，从而产生偏共振现象，使得荧光强度发生变化。我们将微波频率定于NV色心连续波谱的斜率最大处，则当外磁场发生变化，其荧光强度的变化最明显，从而提高测量的灵敏度。NV色心的ODMR谱为了提高测量信号的信噪比，通常采用锁相放大的方法，将微波信号进行频率调制，从而避开电测量系统的1/f噪声，实现更高的测量精度。其系统如下图所示，锁相放大器的参考输出信号和微波源进行频率调制后，通过辐射结构将微波电信号转化成磁场信号，作用于NV色心，然后将NV色心发射的荧光信号进行光电转换后用锁相放大器的电压输入通道进行采集，通过解调后即可得到系综NV色心样品的周围环境的磁场信号大小。参考文献：基于金刚石氮-空位色心系综的磁测量方法研究 -- 谢一进锁相放大器在磁成像——扫描NV探针显微镜中的应用扫描NV探针显微镜是利用金刚石NV色心作为磁传感器的扫描探针显微镜，其将光探测磁共振ODMR和AFM进行了巧妙结合，通过对钻石中NV色心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，来实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨率和单自旋的超高探测灵敏度。国仪量子推出的量子钻石原子力显微镜其系统结构如下图所示，包括了NV色心成像系统和AFM控制系统。AFM控制系统负责将金刚石NV色心在待测样品上进行平面二维扫描，而NV色心对扫描区域的微弱磁信号进行高分辨率的探测，从而最终形成高分辨率的磁成像。在AFM的扫描过程中，金刚石与样品的距离是通过锁相放大器来进行控制的。金刚石NV色心固定在石英音叉上，形成探针。石英音叉有固定的振动频率，当探针在样品表面移动时，随着样品与探针的距离变化，石英音叉的共振幅度会发生变化。我们使用锁相放大器对音叉的振动信号进行采集和解调后，通过锁相放大器内部的PID反馈控制就可以实现样品位移台垂直方向（Z方向）的动态调节，从而使样品到NV色心探针的距离保持相同。锁相放大器主要用于AFM的控制系统中国仪量子数字锁相放大器LIA001MLIA001M锁相放大器是一款高性能、多功能的数字锁相放大器，基于先进硬件和数字信号处理技术设计，配合丰富的模拟输入输出接口，集可视化锁相放大器、虚拟示波器、参数扫描仪、信号发生器、PID控制器等多种功能于一体，有效的简化科研工作流程和设备依赖，提高科研效率和质量。数字锁相放大器LIA001M

p 　　11月19日，在国家遥感中心、“地球观测与导航”重点专项管理办公室、苏州高新区管委会的支持下,第一届全国量子精密测量与传感技术大会在苏州召开。科技部高新司副巡视员梅建平、苏州市副市长徐美健、国家遥感中心总工程师张松梅、北京航空航天大学副校长房建成、地球观测与导航重点专项总体组专家和专项办代表，以及来自全国各大高校、科研院所的近百位专家学者参加了此次会议。 /p p 　　量子精密测量作为量子信息领域的一个重要组成部分，通过量子操控实现对磁场、惯性、重力、时间等物理量的超高精度测量，突破传统测量方法的理论极限，已成为精密测量技术的一个重要发展方向，成为世界各强国高度关注的又一热点高技术领域。国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项部署了“原子陀螺仪”“原子磁强计”和“芯片原子钟”等项目对量子精密测量的发展提供支持。 /p p 　　会议围绕我国量子精密测量与传感技术领域的前沿和热点问题进行了深入研讨，对于落实国家重点研发计划“地球观测与导航”重点专项和后续国家量子相关技术重要部署，推动整个量子信息技术领域引领全球，开启中国量子测量、量子导航的新征程、建设量子信息技术强国具有很强的指导和促进作用。 /p p /p

软件工业领域世界500强、三坐标行业的“国家制造业单项冠军企业”、徕卡3D压雪车引导系统为北京2022年冬奥会提供雪务保障，入围青岛市“工业赋能”场景示范认定项目名单… … 这是海克斯康的“金字招牌”。日前，青岛对首批47家先进制造业产业链链主企业进行了授牌，海克斯康作为青岛市十大战略性新兴产业链——精密仪器仪表产业链主企业，参加了链主企业授牌仪式。精密仪器仪表产业对制造业发展有何作用？记者走进位于青岛高新区华贯路上的这家链主企业，探访其如何做优精密仪器仪表，推动以质量为核心的智能制造。“精密仪器仪表产业是‘工业强基’之基，是制造实现突破的基础支撑和核心关键，”海克斯康制造智能技术（青岛）有限公司智能制造研究院执行院长隋占疆介绍，“我们常说推动制造业高质量发展，那高质量产品如何完成？这需要对制造全过程进行严格精密测量，并依据测量数据不断改进和完善工艺，包括材料加工工艺、零件加工工艺和装配工艺。谁的测量数据更精准、更全面，谁在各个工艺环节上做得更扎实，做得更精益求精，谁的产品质量就更胜一筹。”测量精度可达头发丝直径的二百分之一走进海克斯康双智赋能中心，在航空智造展岛处，记者看到一个小机器人正在对着一片飞机蒙皮进行扫描，在扫描的同时，一旁的电脑屏幕上也在实时显示着数据信息。这是海克斯康针对蒙皮等航空大型结构件测量推出的大尺寸蒙皮扫描方案。海克斯康智慧系统扫描检测飞机蒙皮的同时，电脑屏幕上实时显示着检测信息。“如果蒙皮表面有肉眼看不到的突起或凹陷，电脑上就会显示出不同的颜色。”海克斯康制造智能技术（青岛）有限公司数字化商务运营中心高级顾问孙智宏说，该方案将激光跟踪仪传统的反射球测量功能与先进的计量级非接触式扫描测量技术完美融合，对飞机蒙皮表面进行扫描测量和云数据采集。在搭载智能运输车后，还可实现航空大型结构件的自动化、批量化测量，省时省力。正所谓失之毫厘，差之千里。对于航空叶片等一些航空小零部件而言，看似很小的偏差也会影响整架飞机的质量。海克斯康推出了矩阵式叶片测量方案，采用三坐标测量机，应用柔性矩阵式夹具及独立研发的矩阵式测量软件，可实现叶片类小型零部件的批量检测，测量过程还能在软件中直观显示，一键式测量，极大提升了检测效率，而且精度极高。“最高精度能达到0.3微米。”孙智宏说，一微米大概是一根头发丝直径的1/70，0.3微米，意味着测量精度约等于头发丝的直径1/233。“在直径3公里平地上检测到沙粒高的凸起”“海克斯康在精密计量领域拥有200多年的丰富经验，拥有全球测量精度最高、测量范围最大和产品线最广的计量产品和方案，是三坐标行业的‘国家制造业单项冠军企业’。目前，在‘工业传感器领域’和‘工业软件’领域拥有14项全球首创产品，8项世界之最测量技术。”隋占疆说。根植中国市场20多年，海克斯康立足本土化研发，见证并参与了中国制造业的高速发展。“我们以自主可控的高精度测量装备、智能制造工业软件和智能制造整体方案三大战略路径，深度参与到企业数字化转型，以智能计量装备确保产品质量，大数据分析并预测生产运行状况，为产品设计和制造提供改进依据。”隋占疆表示，凭借贯穿设计、工艺和制造的智能制造技术生态，海克斯康助力企业实现数据驱动品质与生产力的双重提升，为中国制造业发展贡献力量。隋占疆介绍，目前海克斯康已构成面向智能制造领域的全生命周期的数字化核心技术组合，在航空航天、电子、轨道交通、汽车、医疗器械等行业被广泛使用。不仅助力了C919国产大飞机的机身精密装配，为和谐号高速动车组车厢提供尺寸保证，还为一汽-大众、比亚迪新能源汽车的研发和量产，华为、小米等智能消费电子行业和锂电、风电、光伏等新能源行业提供了交钥匙方案。其中，在中国超级海上风机项目中，海克斯康的高精度三坐标测量机以亚微米的精度实现超大齿轮的超高精度检测任务，“打个比方，就是在直径3公里的平整地面上检测一个沙粒高度的凸起。”隋占疆说。“作为精密仪器仪表行业链主，海克斯康将继续发挥自身优势资源，精准把握产业发展趋势，一方面，聚焦突破面向新兴行业与垂直领域的产业创新，实施强链补链；另一方面，持续优化贯通产品全生命周期的行业解决方案，推动以质量为核心的智能制造，并建立和稳固产业链全局生态资源，营建创新服务平台，开展延链行动，促进产业链与创新链融合升级。”隋占疆说。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子精密测量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、陈耕等人与香港大学同行合作，利用量子不确定因果序实现了超越海森堡极限精度的量子精密测量。研究成果于5月1日以“Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order”为题发表在国际著名期刊《自然物理》上。 　　量子精密测量致力于把量子力学原理运用到各种测量任务中以实现超过经典极限的测量精度。海森堡极限被认为是利用量子方法和资源所能达到的最终极限。之前国际上曾有一些工作声称超越了海森堡极限，然而这些工作利用了非线性效应或者包含了含时的哈密顿量，引起了广泛讨论，最终被理论上证明在以能量等作为规范化资源定义的前提下仍然会遵循海森堡极限。 图1：量子不确定因果序的示意图。蓝色和红色路线经过两个门的时序不同且处于量子叠加态。 　　近年来，学术界提出一种新的量子结构，即量子不确定因果序。量子力学的叠加原理不仅允许不同量子本征态之间的叠加，也允许两个事件处于两个相反时序的量子叠加上(如图1所示)。这样一种新型的量子资源已经被证实可以在特定的量子计算和量子通信任务中提供优势，然而此前工作都是基于离散变量体系，未能直接应用于量子精密测量任务中。 　　李传锋、陈耕等人设计了一种全新的杂化(hybrid)量子装置，即用一个离散量子比特控制光子两组连续变量的演化时序，实验实现了不确定因果序，从而实现了对演化产生的几何相位的超海森堡极限的精密测量，即测量的不确定度δA反比于独立演化过程的次数N的平方(δA∝1/N2)。实验结果表明，这种新方法在实验演示的范围内获得了对确定因果序方法理论上的最高测量精度，即海森堡极限(δA∝1/N，图2中的蓝色虚线)的绝对优势，实验结果逼近了理论上的超海森堡极限(图2中的红色实线)。 　　该实验使用单个光子作为探针，不存在光子间的相互作用，且单次测量所需要的能量不超过单个光子的能量，从而实现了首个在规范化资源定义下超越海森堡极限的实验工作。实验实现的相对于确定因果序方法的提升可以直接转化为在实际测量任务中的现实优势。图2：实验的测量精度。黑色方点为N个独立演化过程的实验测量精度，红色实线为不确定因果序方法的超海森堡极限(δA=1/N2)，蓝色虚线为确定因果序方法的最高精度，即海森堡极限(δA=1/N)。 　　该实验对不确定因果序和量子精密测量的理解均带来了重要影响。中科院量子信息重点实验室已毕业博士研究生殷鹏、香港大学博士生赵晓斌为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省、中国科学技术大学的资助。

“专精特新”小巨人企业中图仪器对资本市场发起冲刺。　　公开信息显示，10月21日，深圳市中图仪器股份有限公司（简称“中图仪器”）与中信建投（601066）签署上市辅导协议。成立于2005年的中图仪器致力于精密测量、计量检测等仪器设备的研发、生产和销售。去年国家工业和信息化部公示了第三批专精特新“小巨人”企业名单，中图仪器顺利入选。　　自2005年成立以来，中图仪器逐步聚集了来自清华、西安交大、哈工大等高校毕业生带头的工程师队伍，从小仪器到大品种，持续推动国内精密测量技术创新与进步。　　中图仪器重点发展高端精密、超精密几何量检测仪器，提供一维、二维、三维的尺寸测量产品。中图仪器在精密轮廓扫描技术、精密测量传感器、激光干涉测量、微纳米运动设计、显微三维形貌重建、大尺寸三维空间测量、智能机器视觉测量、精密光栅导轨测控等众多技术领域形成了独特的研发设计、制造优势，已具备从纳米到百米为用户提供专业的精密测量仪器和测量解决方案的能力，大部分产品达到国际先进水平。　　目前，中图仪器的产品已广泛应用于计量质量检测机构、汽车、航空航天、机械制造、半导体加工、3C电子等行业，部分产品达到国际先进水平，参与制定了多项国家标准。　　中图仪器在深圳市南山区智园科技园拥有现代化的办公场地，在深圳市宝安区创新新世界产业园拥有仪器设备精密加工、装配检测的专业生产制造基地。发展至今，中图仪器的销售和服务网点遍及三十多个省、市、自治区，海外市场快速成长，营销网络日逐完善。　　公开报道显示，多年来中图仪器的研发投入占销售额的25%以上，高于行业10%的平均水平。截至2021年10月31日，公司已拥有99项专利及软件著作权，参与制定3项ISO标准，主导或参与制定10余项国内或行业标准。　　辅导文件显示，马俊杰为中图仪器控股股东，直接及间接持有公司股权比例为36.28%。企查查显示，中图仪器自2016年起经历多轮融资，参投机构包括壹海汇资本、方广资本、架桥资本、海量资本和深创投等。　　据了解，在我国高端几何量仪器领域被蔡司、海克斯康、三丰、ZYGO等国际著名品牌全面占据的情况下，中图仪器研制的闪测仪、激光跟踪仪、激光干涉仪、光学3D表面轮廓仪、测长机等多款精密测量仪器逐步达到进口仪器性能水平，以较低成本较高性能服务于我国计量质量检测机构、汽车、航空航天、机械制造、半导体加工、3C电子等行业领域，推动行业国产替代，同时市场占有率攀升。

p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " 高质量的光子源是量子技术的关键器件，近期中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等人与美国普林斯顿大学等机构的学者合作，在同时具备高纯度、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩，为实现基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。国际权威学术期刊《物理评论快报》日前发表了该成果。 /span /p p style=" text-indent: 2em " 当代量子应用研究主要分为量子通信、量子计算和量子精密测量三大领域，单光子源不仅可以用于量子通信、量子计算研究，也是实现量子精密测量的重要资源。 /p p style=" text-indent: 2em " 中科大科研团队长期致力于发展高品质的单光子源，他们首创了脉冲共振荧光方法，利用微腔耦合提高单光子提取效率，通过双色激发和极化腔方案解决了单光子由于极化损耗而至少损失50%的科学难题。 /p p style=" text-indent: 2em " 近期，他们发展了高品质的单光子源，通过对共振荧光的直接测量，证明了0.59分贝的强度压缩，在第一物镜处的压缩量达到3.29分贝。这是自2000年实现量子点单光子源后，国际学界通过20年的努力，首次在该体系直接观测到强度压缩。 /p p style=" text-indent: 2em " 陆朝阳说，通过这项研究获得了一个高品质的单光子源，它的强度被压缩，可以作为一个更加精密的度量工具。 /p p style=" text-indent: 2em " 据悉，他们的这一突破，为基于单光子源的无条件超越经典极限的精密测量奠定了科学基础。 /p p br/ /p

近日，西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室非线性光学及应用课题组在亚散粒噪声精密测量领域研究取得重要进展，相关成果以“Tolerance enhancement of inefficient detection and frequency detuning by non-perfect phase-sensitive amplification in broadband squeezing-based precision measurement”为题发表在国际著名光学期刊Journal of the Optical Society of America B，并被选为Editor`s Pick(编辑精选)文章。(Editor's Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field.) 　　标准量子极限是经典测量技术所能达到的最小测量极限。随着引力波等微弱信号探测需求的增长，如何突破标准量子极限实现更高精度测量是精密测量领域的重要科学问题。作为最实用和最有效的量子计量资源之一，压缩态能使测量精度突破散粒噪声极限并逼近海森堡极限，可以为精密测量领域带来革命性突破。 　　然而压缩态的低鲁棒性限制了它在复杂环境中的应用，且探测器的非理想探测效率也会导致其量子优势无法充分体现。对此，研究人员提出使用光参量放大器(OPA)对微弱信号进行预放大来克服由于低探测效率引起的检测损失。由于存在量子涨落现象，经典放大器的放大过程会伴随着散粒噪声引入，导致噪声指数NF3dB。因此，突破这一固有限制是微弱信号精密测量亟需解决的重点与难点。 　　基于以上关键问题，该课题组开展了基于二阶非线性的相位敏感光参量放大器(PSA)相关研究。PSA以其在放大过程中不引入新的噪声的独有特性，可实现对微弱信号无噪放大，有望助力光学精密测量技术实现新的突破。 图1. 基于压缩态的亚散粒噪声量子测量方案示意图 　　课题组提出了应用PSA来提高基于宽带压缩光的微弱信号探测能力的方法。研究发现，使用宽带压缩光作为探测光可提高微弱信号的探测能力，在探测器的探测效率较低时(η　　西安光机所非线性光学及应用课题组近年来对微弱信号探测及弱光成像技术进行了深入的研究并取得一定的突破。应用非线性光学效应可以有效解决弱信号探测及成像领域因背景噪声强、探测器低灵敏度等因素而导致难以有效探测识别微弱信号的技术瓶颈问题，该课题组已形成光学随机共振弱光图像重构技术、中红外上转换高灵敏探测技术以及相位敏感弱信号放大等关键技术的研究能力，相关研究成果近期先后发表在Optics Express、IEEE Photonics Journal、Nanomaterials、Journal of the Optical Society of America B等国际知名期刊上，得到了国内外同行专家的认可和积极的评价。

发展现代化先进量子测量体系具有重要的研究意义，它符合时代发展需求和国际化发展潮流，同时面向国际前沿和国家重大需求。由于里德堡原子具有较大的电偶极矩，可以对微弱电场产生很强的响应，因此已经成为一个非常有前景的微波测量量子体系。此外，由于里德堡原子之间具有长程强相互作用，常被用于模拟研究强关联系统以及相变。强关联系统在临界点附近对外界扰动更加敏感，可以被应用于量子精密测量领域。虽然有大量理论报道利用强关联系统的临界状态去做量子传感，但在实验上一直未能成功实现。“主要原因是多体系统相变过程制备难、临界点的外场调控技术欠缺等。” 论文共同作者、中科院量子信息重点实验室丁冬生教授介绍。近年来，史保森、丁冬生科研团队利用里德堡原子体系，聚焦量子模拟和量子精密测量科学研究，已取得了重要进展。此次工作中，团队发展了里德堡原子临界点与微波电场的耦合技术。基于室温铷原子体系，利用多体系统相变点对于微波扰动更加敏感的特点，显著提高了测量微波的精度和灵敏度。丁冬生说，“实验发现，多体系统中的原子透射谱线在相变点附近变得更加陡峭，这相当于一把频域上刻度更细的尺子，因此对于微波测量具有更高的精度。”在评估传感器时，一个关键量是Fisher information，它表示一个测量量包含多少关于未知参数的信息。实验表明，相比于少体无相变的情况，多体系统在临界点的Fisher information具有显著提高，具体提高了三个数量级。对应于测量精度提升至少一个量级，并且随测量时间的增加而增加，呈现指数增长的趋势。该工作得到审稿人高度评价：“该实验真正具有开创性，具有重大的潜在影响，因为它为开发基于强相互作用多体系统的新一代量子传感器打开了大门。” “49纳伏每厘米每根号赫兹的灵敏度令人印象深刻，很好地表明了这种方法在计量方面的潜在应用。”中科院量子信息重点实验室丁冬生教授与博士研究生刘宗凯为本文共同第一作者，丁冬生教授、史保森教授、丹麦奥尔胡斯大学Klaus Molmer教授和英国杜伦大学Charles S. Adams教授为本文共同通讯作者。

“现代热力学之父”开尔文有一条著名结论：“只有测量出来，才能制造出来。” 精密测量技术的发展不断促进着工业制造的换代升级。在当代科技和工业领域，高水平的精密测量技术和精密仪器制造能力，反映了一个国家科学研究和整体工业领先程度，更是发展高端制造业的必备条件。随着精密测量技术不断进步，其在科学研究、工程科技、现代工业、现代农业、医疗卫生和环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。精密测量技术促进了现代工业的发展精密测量是一个泛指的、大的范畴。凡是准确度很高的各类测量，都可称之为精密测量。在精密和超精密工程领域，精密测量有具体的数量级概念：精密测量是指测量准确度在1 μm~0. 1 μm 量级的测量，超精密测量是指测量准确度优于100 nm，如10 nm、1 nm，甚至pm（千分之一纳米）量级的测量。精密测量兴起于工业大生产。规模化大生产是现代工业的重要特征，产业分工与专业化配套越来越细化、越来越精密，地域分布越来越广、产业链遍布全世界。也就是说，一个产品由成百上千甚至成千上万个零部件组成，这些零部件不可能由一个厂家生产，需要遍布各地的很多个优势生产厂家合作完成。比如一部智能手机，有1600 多个零件和元器件，由分布在世界上11 个国家和地区的150 多家工厂提供。这带来一系列好处：大批量标准化生产，生产效率高、质量高、成本低。但技术层面存在一个大问题——把如此多的零件、元器件集成到一起时，其中任何之一的尺寸精度或其他技术指标不合格，就无法高精度、高效率地把它们集成到一起，即便勉强集成到一起，产品质量也可能不合格。为了解决这类问题，国际标准化组织（ISO）和国际计量局（BIPM）制定了一系列标准与规范。依据这些标准与规范，对产品的每一个零件和元器件的所有技术参数进行精密测量，以保证成千上万的同一种零件或元器件都具有互换性。通俗地说，就是用到哪一个零部件都是合格的。这需要一个前提为保障：发生在世界各地的千千万万次测量都是准确无误的。怎么才能保证准确无误？BIPM 用一个公认的标准量值传递给每一台测量仪器，以保证这个标准量值在全世界范围内准确一致，进而保证所有的测量仪器都是精准的，所有的测量数据都是精准的。从那时起，精密测量已成为促进科技发展的重要新兴学科。超精密测量技术是引领现代工业向高端发展的火车头对一个国家而言，精密测量与装备制造业紧密相关。装备制造业向中高端跨越的关键是提升制造质量，提升制造质量的关键，需先解决精密测量能力问题。只有通过精密测量，才能知道产品哪里不合格；只有通过大量精密测量数据的积累，才能找到产品不合格的根源与规律；只有基于精密测量数据建立起成体系的误差补偿模型，才能有效实现制造精度和产品性能的精确调控，产品质量才能在不断地精确调控中逐渐提升。超精密光刻机的研制，很好地证明了这条结论。超精密光刻机被称为“超精密尖端装备的珠穆朗玛峰”，挑战着人类超精密制造的精度和性能极限。超精密光刻机是在超精密量级上把最先进的光机电控等几十个分系统、几万个零部件集成在一起，使其高性能协同工作，是人类装备制造史上复杂程度最高，技术难度最大，综合精度性能最高的尖端装备之一。它在高速和高加速度下，实现纳米级的同步精度、单机套刻精度和匹配套刻精度等，这与传统的精度提升环境完全不同。同时，超精密光刻机的制造精度已接近现有制造能力的极限，其精度提升一点点，通常都要付出几倍、十几倍的努力。比如，用于28 nm 节点制程的深紫外（DUV）光刻机拥有7 万多个光机零件，涉及到上游5000 多家供应商。这些零部件对精度和稳定性的要求极高，其中85% 的零部件集成了供应链上所有制造商的优势，才共同研发成功。任何一个重要零件不合格都会导致超精密光刻机研制失败。以其中一个构件——激光反射镜的制造精度为例。它由微晶玻璃制成，有108 项尺寸公差和62 项形状、位置、方向公差，还有内部应力等技术要求。要完成这样一个复杂构件的超精密测量，需要20 多种专用超精密测量仪器。而光刻机有7 万多个光机零件，其中80% 以上的零件处于精密和超精密级，需要700 多种专用精密和超精密测量仪器。如果没有成体系的专用超精密测量技术与仪器来管控制造精度，就不可能制造出合格的零件，也不可能装配调试出合格的部件与分系统，更不可能装配调试出合格的光刻机整机。从一类装备到整个装备制造业，一个普遍的规律是，只要建立起遍布装备全制造链、全产业链和全生命周期的精密和超精密测量整体能力，就能对整个装备制造业高质量运行形成有效的调控能力和稳定可靠的支撑能力。超精密测量只有形成体系，才能对高端制造形成整体支撑能力精密和超精密测量整体能力的提升还可推动国家测量体系的建立。其中国家计量体系能够有效管控工业测量体系，保障全制造链、全产业链和全生命周期内的产品质量，赋能高科技产业高质量发展。目前国际上工业发达的国家，其产品都经历了从低质量向高质量的曲折的发展历程。正是因为建立起了完整的精密测量体系，培育起了一批顶尖的超精密仪器企业，才能为高端装备制造提供强有力支撑，打造出诸多世界品牌。凡是制造强国和质量强国，都是仪器强国和测量强国。世界前20 强仪器企业被美、日、德、瑞、英占据，世界前5 名仪器企业的高端仪器市场占有率超过50%，世界前10 名仪器企业高端仪器市场占有率超过75%，这些仪器强国同时都是测量强国，都早已经构建起了先进的国家测量体系。为什么我国制造业从中低端向中高端跨越时，遇到的困难非常多，难度非常大？目前，我国工业，特别是制造业仍处于中低端，产品制造质量基础十分薄弱。从体制机制层面看，一是现行计量体系不完整等问题导致量值传递能力薄弱、大量传递链断裂，质量调控能力在底层失控；二是现行计量管理体制僵化，市场化程度低，不利于培育服务型测量业态，不利于发展工业测量服务市场。从技术层面看，一是尚未形成完备的整体工业测量能力；二是精密级测量还没有形成整体能力，超精密级测量能力还处于初级阶段；三是关键测量技术亟待突破，高端测量仪器仪表和核心零部件长期依赖国外。无论是管理模式，还是技术支撑，都已经无法满足经济社会各领域对精准测量测试的需求，深层次改革势在必行。新一代国家测量体系可以分步推进：在国家计量体系层面，要系统布局面向工程参量的国家计量基标准建立；在工业测量体系层面，可以先从一些重要产业的精密测量和超精密测量做起，如航空发动机产业、汽车产业、平板显示器产业和半导体照明产业等，可建设面向各类产业的产业工业测量体系；对工业集群集中的区域，如哈大齐工业走廊、辽中南制造业集中区、长三角制造业集中区、长三角制造业集中区等，可建立各具区域产业背景的区域工业测量体系。在面向各行各业的工业测量体系和覆盖国内各个制造业集中区的区域工业测量体系的基础上，构建具有计量量子化和量值传递扁平化特征的新一代国家测量体系。只有这样，才能对我国整个高端制造形成整体支撑能力。2023 年2 月6 日党中央国务院印发了《质量强国建设纲要》，提出了2025 年和2035 年发展目标，为工业转型升级指明方向。国家新型工业测量体系是质量强国建设的坚实基础，是我国工业，特别是制造业从中低端向中高端跨越的核心支撑，是提升产业核心竞争力的关键。进入中高端制造阶段，精密和超精密测量就成为不可或缺的核心能力，要想造得出，必先测得出，要想造得精，必先测得准。构建国家新型工业测量体系是实现产业高质量发展的必然选择，也是补齐我国工业，特别是高端装备制造质量短板的必由之路。谭久彬，1955年3月出生于哈尔滨，精密仪器工程专家，中国工程院院士。现任哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院院长、国家计量战略专家咨询委员会副主任，中国仪器仪表学会副理事长，中国计量测试学会副理事长，国际测量与仪器委员会（ICMI）常务委员等。长期从事超精密测量与仪器工程的科研与人才培养工作。面向高端装备制造质量提升的特殊需求，提出超精密仪器与装备精度调控方法及理论，如多模复合运动基准方法、多轴运动基准误差分离方法和主动负刚度隔微振方法等系列创新方法；突破超精密运动基准等系列核心技术，研制成功4种国家级计量标准装置和21种大型超精密测量仪器与超大型超精密测试装备，创建了超精密仪器与装备精度调控技术体系与平台体系；解决了我国战略武器装备、航空发动机、高性能卫星相机等36个重大型号高端装备研制生产中的超精密测量与精度调控难题，显著提升了重大型号装备的精度水平。建成国内第一个超精密仪器研发基地和产业化基地。作为第一完成人，获国家技术发明奖一等奖1项（2006年），二等奖2项（2013、2016年）。

中国计量院与清华大学共建精密测量联合实验室签约仪式在京举行 强强联合 优势互补 共创一流 蒲长城陈希出席并讲话 1月14日，中国计量科学研究院（以下简称中国计量院）与清华大学共同建立精密测量联合实验室签约仪式在北京举行。这标志着中国计量院在交流合作、提升能力、凝聚人才、创新机制方面取得了新突破。国家质检总局副局长蒲长城、国家教育部副部长陈希出席签约仪式并讲话。 双方于2008年6月就启动了联合实验室的筹备调研工作。中国计量院是国家最高计量科学研究中心和国家级法定计量技术机构，具备了计量科学研究的综合优势和实验条件。清华大学是中国著名高等学府，是中国高层次人才培养和科学技术研究的重要基地之一。联合实验室建立的宗旨就是为了充分发挥双方的资源优势，建立开放共享的综合性研究平台、人才培养和交流平台、国际合作研究平台以及信息交流平台。联合实验室将聚集一流的技术、设施和人才，共同开展与计量科学有关的前瞻性、原创性和长期性基础研究和科研合作。通过研究项目培养计量科技人才，带动大学建立计量学科，有效促进大学重点学科和国家计量事业的可持续发展。 据介绍，联合实验室的合作领域将集中在精密测试技术研究和计量前沿科技研究上。具体的研究方向包括空气及组分气体折射率精密测量、重力加速度绝对测量、光钟、原子钟、离子钟的研究等。 蒲长城在签约仪式上表示，希望双方能将联合实验室建成机制创新的示范实验室，在人才培养机制、激励创新机制、交流合作机制、资源共享机制以及联合实验室管理运行机制等诸方面积极探索，为质检科技其他方面开展交流合作提供更多宝贵经验。 陈希认为，清华大学与中国计量院的这次合作是高等院校与国家级科研院所的一次强强联手，通过双方的共同努力，一定能培养一流的科研人才，创造一流的科研成果，建立具有国际水平的实验室。 中国计量院院长张玉宽、清华大学副校长康克军分别代表双方在协议上签字。

近日，合肥市科学技术局发布“第四批合肥市技术创新中心拟认定名单”，依托国仪量子（合肥）技术有限公司建设的量子精密测量合肥市技术创新中心通过认定。图片来源：合肥市科学技术局量子精密测量是利用量子特性获得突破经典测量技术极限，开拓物理信息感知维度的新一代精密测量技术，与传统测量技术相比，具有更高测试精度、灵敏度。精密测量是获取物理量信息的源头，随着量子力学、原子物理学等领域的发展，精密测量已经进入“量子时代”。CIQTEK量子精密测量合肥市技术创新中心量子精密测量合肥市技术创新中心面向量子精密测量前沿技术，依托国仪量子（合肥）技术有限公司，一方面开展量子传感、电子光学、微弱信号测量等系列关键共性技术攻关，研制出量子钻石显微镜、量子自旋磁力仪、电子顺磁共振波谱仪、锁相放大器等一系列核心指标国际领先、稳定可靠的高端精密仪器，技术水平达到国际领先[1]，推动合肥市量子科技产业做大做强，构建以量子精密测量为核心的先进仪器产业集群；另一方面推动量子传感器在动力电池检测、生物磁测量、体外诊断、金属无损探伤等行业研究与部署，实现量子精密测量在前沿科学、生物医药、航空航天等诸多领域的广泛应用。建设量子精密测量合肥市技术创新中心，对加强量子精密测量领域关键共性技术研发、创新成果转化及产业化应用示范，推动发展国产仪器替代进口、解决“卡脖子”问题，保障国家安全都具有十分重要的意义。参考资料：[1]https://kjj.hefei.gov.cn/zwgk/tzgg/14939501.html

近日，中国的几何精密计量和测量仪器企业深圳中图仪器股份有限公司（简称“中图仪器”）宣布完成了B轮融资。此次融资由沃衍资本和钟鼎资本联合投资，其中，沃衍资本出资7800万领投。本次融资金额超过一亿元人民币。据悉，本次中图仪器的融资将为其高端产品的持续研发、团队拓展以及销售提供资金保障，进而加速其高端几何精密仪器产业的发展。中图仪器成立于2005年，是一家专注于精密测量、计量检测等仪器设备的研发、生产和销售的高新技术企业。中图仪器在微纳米运动设计制造、微纳米显微测量三维重建等领域形成了设计和制造优势，并具备了从纳米到百米为用户提供专业的精密测量解决方案的能力。此前，中图仪器已获得来自壹海汇资本、深创投等多家风投公司的投资。沃衍资本的合伙人在此次中图仪器的投资中表示，这是沃衍资本今年在数字化产业投资领域最重要的一项投资。他们认为中图仪器在创始人马俊杰的领导下全面掌握了发展现代精密测量产业所需的技术和算法，并完成了不同尺寸测量的平台型技术和产品的全面布局。同时，中图仪器的产品战略追求品类全，应用覆盖面广，品质高，得到了多行业多领域的头部客户验证，并在航空航天、工程机械、高端机床、3C电子、汽车、显微半导体、新能源、计量院所、科研院校等领域形成规模化销售。沃衍资本将与中图仪器共同努力，在精密测量领域进行技术创新，促进中国高端制造和数字化发展，并致力于打造中国自主品牌的高端几何量测量仪器和装备产品。

精确测定分子的化学结构、识别其化学物种一直是表面科学的核心问题，即使在单个分子层次上，分子结构、电子态及其激发态、化学键振动、反应动力学行为等多维度的内禀属性也表现出显著的特异性。分子多维度内禀参量的精密测量是一个极具挑战性的前沿问题。在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项支持下，我国科学家发展了多种扫描探针显微成像联用技术，实现了对单分子在电、力、光等外场作用下不同内禀参量响应的精密测量，在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征，突破了单一显微成像技术的探测局限。研究人员利用这一高分辨的综合表征技术，以并五苯分子及其衍生物作为模型体系，结合电、力、光等不同相互作用，实现了对电子态、化学键结构和振动态、化学反应等多维度内禀参量的精密测量。实验结果表明纳腔等离激元激发是导致特定吸附构型下C—H键选择性断裂的原因，阐明了Ag(110)表面吸附的并五苯分子转化为不同衍生物的机理。此外通过集成高灵敏度的单光子计数器，把拉曼光谱的实空间成像速度提高了2个数量级，成功地实现了并五苯分子化学反应前后的动态跟踪与测量。该多维度表征技术方法将为表面催化、表面合成和二维材料中的化学结构与物种识别，以及构效关系的构建提供可行的解决方案，在表面化学、多相催化等研究领域具有重要的科学价值。相关研究成果于2021年2月发表在Science上。