中国在基于光子数的坎德拉量子化定义开展的研究

中国自改革开放以来一直在国际基本单位坎德拉相关研究方面与国际计量领域紧密合作,并做出了重要的贡献。1977年,包括中国在内10个国家的国家计量院完成了明视觉最大光谱光视效能(Km)值的测量,测量结果都接近理论计算的 683流明每瓦特(lm W-1),从而有力地推动了1979年坎德拉的重新定义:坎德拉(cd)是一光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率为540×1012赫兹(Hz)的单色辐射,而且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度(W sr-1)。在包括中国在内的多个具有高水平坎德拉复现能力的国家共同努力下,坎德拉采用了一个没有限定复现方法的开放式定义,并被一直沿用。直到2018年第26届国际计量大会上,坎德拉的定义被修改为:当频率为540×1012 Hz的单色辐射的光视效能Kcd以单位lmW-1即cd sr W-1或cd sr kg-1 m-2 s3表示时,取其固定数值为683来定义坎德拉,其中千克、米、秒分别用hc 和ΔνCs定义。

进入21世纪以来,随着对光子本质的进一步深入以及光子探测和调控技术能力的不断发展,人们开始考虑基于光子数目来复现光度与辐射度的关键量值。其最根本的理念是:如果已知光子的频率,那么通过光子计数技术得到单位时间内的光子数目,就可以知晓光谱辐射的功率;然后进一步影响整个光辐射计量体系。然而,无论是直接基于光子数目来重新定义坎德拉,还是先利用光子方法来测量Kcd再实现坎德拉的重新定义,都需要光子的精密测量或操控能力超越经典水平光谱辐射功率的10-4的绝对定标能力。虽然任重道远,但是这项艰巨的任务具有重大的意义,成为了国际光辐射计量领域密切关注和不懈努力的重点方向。

美国是国际上最早全面开展面向光子计量标准关键技术研究的国家,迄今取得了一系列重要的成果,具体包括:基于关联光子的探测器量子效率定标技术、探测效率高于90%的高速超导纳米线单光子探测器、探测效率高于95%并可分辨光子数目的超导相变边沿传感器单光子探测系统、基于高效吸收碳纳米管阵列的nW级光纤耦合绝对低温辐射计、利用超导相变边沿传感器监测的pW级绝对低温辐射计等等。

欧盟自2008年开始正式开展以“量子坎德拉”冠名的综合性研究计划,重点突破三个关键任务:(1)研制量子效率可预测探测器,建立400 nm-800 nm波段探测效率接近100%、相对标准不确定度达到80 ppm的光谱辐射功率绝对定标能力;(2)研制高性能单光子源与单光子探测器,发展单光子精密操控技术以及基于可分辨光子数目的单光子精密测量技术;(3)通过基于自发参量下转换的关联光子绝对定标方法与溯源至低温辐射计的传统方法相比较,实现光谱辐射功率测量能力从经典水平到量子水平的有效衔接与量值统一。

我国自“十一五”期间就开始了面向坎德拉量子化复现的光子计量基础研究工作,并在基于自发参量下转换的关联光子绝对定标方法等方面奠定了较好的基础;在“十二五”期间,光子计量技术成为国务院《计量发展规划2013-2020》中强调发展的基标准重点技术,Betway玩彩入口研究院围绕光子精密测量中的计量需求和基标准体系不断完善的需要,制定了更加深入长远的研究计划,开展了基于自发参量下转换关联光子的探测器量子效率绝对定标方法和溯源至低温辐射计及可预知量子效率探测器的微弱光谱辐射功率校准技术研究,并通过这两种独立的方法分别实现了量子水平光谱辐射功率(即光谱光子流速)的高精度复现(相对标准不确定度皆小于0.4%),在量程交叠处测量结果不一致性小于0.3%,标志着我国继美国和欧盟之后成功取得了光谱辐射功率测量能力从经典到量子水平的衔接和统一,成为了国际上少数几个完整具备高精度光辐射计量基准能力的国家之一。在前沿研究的基础上,基于探测器量子效率的量值传递链为光谱光子流速、光谱光子亮度、光谱光子强度、超低光谱透反射比等量值的复现提供了关键基础,形成了量子水平较为完善的光子测量计量标准体系;研制了超低噪声微光功率计与微弱光谱辐射功率标准光源等高水平计量标准器具,解决了我国自主研制的中微子探测光电倍增管、超导纳米线单光子探测器、单光子激光雷达、微光成像定标装置等关键仪器装备的量值溯源难题,支撑了我国光子精密测量及应用装备和技术的稳步发展。

到“十三五”期间,Betway玩彩入口研究院的光辐射计量基标准能力进一步提升,自主研制成功工作波长扩展至中红外波段的绝对低温辐射计测量装置,1 mW光谱辐射功率绝对复现相对标准不确定度优于0.02%,并实现了可见至近红外波段基于光谱型低温辐射计的光谱辐射功率响应度高精度定标能力;通过国家质量基础重点研发专项开展基于超导相变边沿传感器的光子精密测量系统、飞秒脉冲激励量子体系的芯片尺度单光子源、光学特性精密测量和光电融合目标识别技术等研究,目标形成一批具有更高水平的光子计量标准,为不断发展的高端和关键光子测量仪器装备提供可靠的计量保障,促进光子精密测量技术在前沿物理、量子信息、生物医学、国防安全等前沿领域的应用。预计到2020年,我国将成为国际上少数几个具备先进、全面的光辐射计量能力的国家之一。

目前Betway玩彩入口研究院正在参加由10个先进国家计量院共同参与的国际首次单光子探测器量子效率国际比对,将为光子计量领域的全球量值统一做出中国贡献。