[发明专利]基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法

说明书

本公开的基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法，其本底磁场产生组件包括恒流源9、标准线圈2和磁屏蔽筒1，磁屏蔽筒1屏蔽地磁场，标准线圈2轴对称地置于磁屏蔽筒1的内部，恒流源9向标准线圈2输入电流以产生本底磁场；抽运‑检测型原子磁力仪的探头部分置于标准线圈2的几何中心，包括亥姆霍兹线圈3、铷泡加热模块4、铷泡5、圆偏振抽运光10和线偏振探测光11，铷泡加热模块4使铷泡5保持恒温，圆偏振抽运光10制备铷泡5内铷原子的极化态，线偏振探测光11测量铷泡5内铷原子磁共振塞曼跃迁的内态演化信号；信号源6与亥姆霍兹线圈3、开关7和负载8相连，开关7控制信号源6向亥姆霍兹线圈3和负载8输入的待测正弦交变电流信号。本公开能够表明磁共振塞曼跃迁是有过程的，是确定性的，是可被重复操控的。

技术领域

本公开属于电磁学计量和量子信息技术领域，具体涉及一种基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法。

背景技术

自20世纪以来，约瑟夫森效应和量子化霍尔效应的发现推动了量子电压基准和量子电阻基准的建立，可从欧姆定律导出电流单位，从而实现间接的量子电流，但是人们寻找一种更为直接的量子电流基准的努力一直未停止过{参考文献：张钟华，展望21世纪的电磁计量[J].测控技术，2002，21：17-22}。利用原子磁力仪测量载流标准线圈产生的均匀磁场，该磁场值与标准线圈中的量子电流值(由量子电压与量子电阻的比值确定)呈线性关系，可将线圈系数溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应三种量子自然基准，原理上能实现基于量子自然基准的电流的计量。将载流标准线圈中的电流锁定至碱金属原子磁共振塞曼跃迁对应的拉莫尔进动频率，通过严格控制实验装置的物理环境实现低漂移的恒流源功能，是一种可行的量子电流基准装置的建设方案。上述电流计量的方案仅限于恒定电流，不涉及交变电流。稳定的正弦交变电流具有三个参数：振幅、频率和相位，其中频率很容易溯源至以铯原子钟为代表的量子自然基准，然而还未见有文献或专利报道正弦交变电流的振幅和相位被溯源至量子自然基准。

自20世纪以来，量子信息技术在国内外蓬勃发展。量子信息技术是量子物理与信息科学交叉的新生学科，其物理基础被认为是量子态的叠加性、量子非局域性、量子不可克隆定理{参考文献：郭光灿，张昊，王琴.量子信息技术发展概况[J].南京邮电大学学报(自然科学版)，2017，37(3):1-14}。磁共振塞曼跃迁也属于一种量子跃迁，如果能够从理论和实验上揭示磁共振塞曼跃迁的内态演化细节，一定程度上能够验证量子信息技术的物理基础；射频场的振幅和相位与磁共振塞曼跃迁的内态演化过程有紧密的联系，而射频场可由正弦交变电流通入线圈产生。因此，通过深入研究磁共振塞曼跃迁的物理过程，可将正弦交变电流的振幅和相位溯源至量子自然基准，相关理论和实验技术有助于分析和验证量子信息技术的物理基础。

发明内容

本公开提供了一种基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法，能够表明磁共振塞曼跃迁是有过程的，是确定性的，是可被重复操控的。本公开中正弦交变电流的频率被溯源至以铯原子钟为代表的量子自然基准，基于二能级磁共振塞曼跃迁的经典理论将亥姆霍兹线圈中正弦交变电流的振幅和相位溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应三种量子自然基准。

根据本公开的一方面，本公开提供一种基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置，所述装置包括：本底磁场产生组件、抽运-检测型原子磁力仪、信号源6、开关7和负载8；

所述本底磁场产生组件包括恒流源9、标准线圈2和磁屏蔽筒1，磁屏蔽筒1用于屏蔽地磁场，标准线圈2轴对称地置于磁屏蔽筒1的内部，恒流源9用于向标准线圈2输入电流以产生z轴均匀稳定的本底磁场；

所述抽运-检测型原子磁力仪包括亥姆霍兹线圈3、铷泡加热模块4、铷泡5、圆偏振抽运光10和线偏振探测光11；铷泡加热模块4使铷泡5保持恒温，圆偏振抽运光10与z轴平行，用于制备铷泡5内铷原子系综的极化态，线偏振探测光11与x轴平行，用于测量铷泡5内铷原子磁共振塞曼跃迁的内态演化信号；