约瑟夫森量子电压在玻尔兹曼常数测量中的应用

基于量子物理精确测量基本物理学常数是当今计量研究领域的前沿和热点，国际单位制中基本单位正面临以此为基础的重新定义。本项目拟研究基于超导约瑟夫森效应的量子电压波形合成技术，用于噪声法玻尔兹曼常数测量。通过测量超导约瑟夫森结阵在脉冲信号驱动下的动态响应，摸索产生量子电压脉冲的合适条件，研究基于Delta-Sigma数字模拟转换算法的量子电压任意波形合成技术。通过合成量子电压赝噪声，与标准电阻在水三相点温度下的热噪声电压比较得到玻尔兹曼常数。研究量子电压赝噪声的频谱、相位结构对测量不确定度的影响及其优化。项目的完成将为噪声法测量玻尔兹曼常数提供量子精度的参考电压噪声，为基于玻尔兹曼常数重新定义温度单位开尔文提供参考数据。

玻尔兹曼常数是基本物理常数之一，其量值决定了热力学温度单位。目前，CODATA推荐的玻尔兹曼常数数值由单一的声学温度计测量结果确定，需要有不同实验室，采用不同原理方法加以确认和旁证。本项目基于超导约瑟夫森效应，通过合成能量谱密度精确可计算的量子电压噪声信号作为噪声温度计参考信号，标定热平衡状态下导体内部电子热扰动产生的热噪声，实现了纯电学方法测量玻尔兹曼常数。. 课题主要进行了以下研究：. (1)、研究双极性脉冲驱动的量子电压合成技术，合成了不同结构的量子电压赝噪声信号。通过数值模拟和实验测量，研究了量子电压噪声合成过程中量化噪声和感应电压对实际输出波形的影响及修正。结果表明，在1MHz带宽范围内，量化噪声和感应电压的相对影响均远小于1e-6。. (2)、利用量子电压噪声源合成双频信号，研究并改进了噪声温度计系统中前置放大器的非线性失真。改进后的前置放大器非线性失真对测量的相对影响小于1e-6。. (3)、研究了通过相位优化降低放大电路非线性对赝噪声的影响，并提高赝噪声合成过程中量子电压台阶裕度的可行性。. (4)、通过比较水三相点温度下电阻的热噪声与合成的量子电压赝噪声，实现玻尔兹曼常数测量。通过对两个噪声源的功率、阻抗，以及传输线阻抗匹配，消除了测量结果对频率的依赖。得到玻尔兹曼常数k=1.380648e-23 J/K，与CODATA2010推荐值相对偏差-0.6e-6，相对标准不确定度达到7.8e-6，是目前国际上利用噪声法测量玻尔兹曼常数的最好结果。