基于約瑟夫森量子電壓的諧波電壓測量方法研究

徐熙彤， 賈正森， 王 磊， 周天地， 潘仙林， 石照民

(中國計量科學研究院 電磁計量科學技術研究所，北京 100029)

1 引 言

近幾十年來，隨著量子物理和電磁精密測量的發展，以及約瑟夫森效應[1]的發現，建立量子基準成為國內外電磁計量領域研究的熱點[2，3]。美國國家標準與技術研究院(NIST)、德國聯邦物理技術研究院(PTB)和日本產業技術綜合研究所(AIST)[4]基于約瑟夫森效應成功研制了約瑟夫森結，在特定的微波頻率下可以產生具有量子精度的微小電壓;在此基礎上，將約瑟夫森結串聯后可以輸出最高10 V的電壓，不同數量的約瑟夫森結連接組合在一起，可以產生從0到10 V具有量子準確性的任意電壓，即可編程約瑟夫森電壓基準(programmable Josephson voltage standard, PJVS)[5]。

各國計量院已經將可編程約瑟夫森電壓基準應用于正弦功率的測量[6]。PTB將約瑟夫森電壓基準應用于電流及電阻阻值的測量[7,8]；NIST通過產生兩路獨立的PJVS電壓，實現對兩路信號的同時測量，解決了由于分時所引起的測量誤差，可以應用于交流量子功率的測量[9]；AIST采用差分采樣測量技術，使用感應分壓器(IVD)和10 V PJVS芯片，測量了有效值為20 V的正弦波，擴大了該技術的電壓應用范圍[10,11]。

目前，中國計量科學研究院(NIM)已經研制了交流量子電壓驅動系統[12]，并使用該系統驅動約瑟夫森結陣產生階梯波信號。在階梯波的輸出過程中，由于過渡過程和吉布斯現象，首先應對數據進行篩選，采用先離散傅里葉變換(DFT)再平均的方法，或者片段采樣的方法[13，14]；在此基礎上，通過換向差分采樣對基波功率進行測量，實現了基波功率向量子基準的過渡[13]。……