突破电流计量瓶颈：新型可编程量子电流发生器实现高精度量子电流标准

为解决量子电流标准精度难题，研究人员开展新型可编程量子电流发生器（PQCG）的研究。结果显示，PQCG 在微安到毫安电流范围，相对不确定度≤10-8。这为量子电流标准发展奠基，推动电学计量进步。

　　在电学计量的神秘世界里，电流的精确测量一直是科学家们追逐的 “圣杯”。自 2019 年国际单位制（SI）修订后，电流测量迎来了新的挑战与机遇。新定义下的安培，要求量子电流标准能精准控制基本电荷（e）的流动，相对不确定度需达到 10^-8 。然而，传统的单电子电流源（SECS），尽管听起来十分前沿，却难以满足这一严苛要求。在高频条件下，基于 GaAs 和 Si 的可调势垒 SECS 误差率飙升，想要实现高于 100 pA 且相对不确定度优于 10^-7 的电流测量，简直比登天还难。

另一条通往高精度电流测量的道路，是将欧姆定律应用于约瑟夫森电压和量子霍尔电阻标准。这两种效应，本是量子世界的 “神奇魔法”，能分别从 h/2e 和 h/e 常数直接实现伏特和欧姆的高精度测量，测量不确定度可达 10^-9 。但在实际操作中，要将这两种标准精确串联，同时实现真正的电流源，却困难重重。此前的可编程量子电流发生器（PQCG）虽在毫安级电流测量中达到了 10^-8 的相对测量不确定度，可这背后是大量复杂的误差修正工作，严重影响了测量的简便性和最终精度。

为了突破这些困境，法国国家计量与测试实验室（Laboratoire national de métrologie et d’essais）和德国物理技术研究院（Physikalisch - Technische Bundesanstalt，PTB）的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于打造一款全新的 PQCG，目标是在无需经典修正的情况下，实现更低噪声的电流输出，填补微安到毫安电流范围的精度空白。

研究人员在这场探索中，运用了一系列关键技术方法。他们精心搭建了由两个可编程约瑟夫森电压标准（PJVS）、两个量子霍尔电阻标准（QHRS）和一个低温电流比较器（CCC）组成的实验装置。通过特殊设计的 CCC 实现 PQCG 与 QHRS 的三端连接，大大降低了串联电阻的影响。同时，利用量子电压表测量 QHRS 两端的电压降，结合精确的频率控制和校准，实现对输出电流的精准测量和控制。

下一代 PQCG

新型 PQCG 的核心在于其独特的三端连接方式。研究人员通过新设计的 CCC，将 PJVS 与 QHRS 紧密相连。这种连接方式利用了霍尔边缘态的拓扑特性，使得流经第三个接触点的电流仅为第一个接触点电流的一小部分，从而将串联电阻的影响降至微不足道的程度。最终，PQCG 能够输出理论值为 I_PQCG^th = ±(N₁/N₂)n₁ef₁的电流，且相对不确定度低至 2×10^-9 。

精度测试原理

为了确保 PQCG 输出电流的准确性，研究人员设计了巧妙的精度测试方法。他们通过向 QHRS 输入电流，并用量子电压表测量其霍尔端子的电压降 V₂，根据基尔霍夫电压定律来确定输出电流 I_PQCG。在实际操作中，由于噪声和偏移漂移的干扰，精确找到电压差 ΔV = 0 时的频率十分困难。研究人员采用了一种创新的方法，在两个失谐频率 f₂⁺和 f₂^-下测量电压平均值，进而计算出平衡频率 f₂^eq ，有效降低了测量的不确定性。

量化电流精度

研究人员对 PQCG 在不同电流值下进行了全面的精度测试。在 5.74 μA、11.48 μA、45.94 μA 和 57.42 μA 等电流值下，通过多种测量协议（I⁺、I^-和 I_±）进行测量。结果令人振奋，在这些电流值下，测量得到的电流与理论值的偏差均在测量不确定度范围内，相对偏差大多在 10^-9 数量级，充分证明了 PQCG 输出电流的高精度量化特性。

短期噪声源评估

对测量不确定度的深入分析，为研究人员打开了理解实验的新窗口。通过对不同精度测试中 A 类不确定度（u^A）的研究，他们发现，在低电压下，量子电压表的电压噪声是主要噪声来源；而在高电压下，安培匝数则成为主导因素。这一发现不仅解释了实验中的噪声现象，还为进一步优化实验提供了方向。

应用于电流表校准

PQCG 的高精度特性在电流表校准中得到了充分应用。研究人员利用 PQCG 对数字电流表 HP3458A 进行校准，结果表明，PQCG 能够在 100 μA 范围内精确校准电流表，且重复性良好，误差在 5×10^-7 以内。通过调整约瑟夫森频率 f₁ ，还可以对电流进行微调，展示了 PQCG 在实际应用中的强大潜力。

研究人员成功展示了新型 PQCG 在生成高精度量子电流方面的卓越性能。在微安到毫安的电流范围内，其相对不确定度≤10^-8 ，这一成果不仅验证了研究人员对 B 类不确定度预算的估计，还为量子电流标准的发展开辟了新道路。与其他量子电流源相比，PQCG 的精度优势明显，为电流校准提供了更可靠的标准，有助于提高安培向终端用户的传递精度，推动更精确仪器的发展。

此外，PQCG 在实验中使用了比以往大 129 倍的电阻（QHRS₂），这表明它对负载电阻具有更强的鲁棒性，符合真正电流源的要求。同时，基于 PQCG 和量子电压表的实验，还为电阻校准带来了新方法，有望简化大电阻的校准流程，实现从 h/2e² 到单一校准步骤的范式转变。

研究人员开发的全量子仪器，为直流量子校准器 - 万用表的发展奠定了基础。未来，通过优化仪器的实现和操作，采用基于石墨烯的单霍尔条或阵列等新技术，有望进一步提高测量精度，降低噪声，使量子计量更加实用和便捷。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，无疑为量子计量领域注入了新的活力，引领着科学家们在高精度电流测量的道路上不断前行。