统一系统中的电流测量示意图。

电学基本单位（安培、伏特、欧姆）的高精度测量是现代电子技术、科学研究和工业应用的基础。传统方法需使用不同仪器分别测量各参量，存在系统误差、操作复杂且难以统一校准的问题。量子测量技术虽能提供更高精度，但不同量子系统（如基于量子霍尔效应的电阻标准和基于约瑟夫森效应的电压标准）通常需独立装置且在低温、磁场等条件下存在相互干扰，实现单一设备集成测量一直是重大挑战。

美国国家标准与技术研究院（NIST）研究团队成功开发出一种单量子集成测量设备，首次在单一低温恒温器内整合量子反?；舳缱瑁≦AHR） 和可编程约瑟夫森电压标准（PJVS） 两种关键量子系统，实现了对电流（安培）、电压（伏特）和电阻（欧姆）的同步高精度测量。该设备采用新型量子材料，克服了磁场干扰和低温兼容性难题，测量精度显著超越经典方法。研究成果发表于《自然·电子学》，为下一代电学计量标准提供了新范式。

核心实验方法：双量子系统集成与低温调控

1.量子系统选型与集成：

选用量子反?；舳缱瑁≦AHR） 作为电阻基准，其无需外磁场即可实现量子化电阻值；

选用可编程约瑟夫森电压标准（PJVS） 作为电压基准，基于超导结阵列产生精确量子化电压；

将两者集成于同一低温恒温器中，确保系统在~4 K超低温环境下协同工作。

2.干扰抑制技术：

采用无磁场QAHR材料（如铬掺杂拓扑绝缘体），避免对PJVS超导电路的磁干扰；

通过低温屏蔽与电路布局优化，抑制热涨落和电磁耦合导致的交叉干扰。

3.测量流程：

通过PJVS生成精确量子化电压（0.24–6.5 mV范围），同步利用QAHR提供量子化电阻基准；

基于量子电流关系（I=V/R）间接推导电流值，实现三参量闭环测量。

单盒基础标准原型，涵盖伏特、电阻和安培三种电学单位。

技术突破：集成设计与精度飞跃

1.首台单一设备多参量量子测量系统：实现安培、伏特、欧姆的同步量子化基准测量，摆脱传统多仪器分立模式。

2.磁场兼容性创新：利用无磁场QAHR材料，解决量子霍尔系统与约瑟夫森结的磁场互斥难题。

3.高精度与低误差：电压测量误差低于0.1 μV/V，电阻与电流测量相对不确定性达10??量级，显著提升计量可靠性。

4.系统实用化突破：通过低温恒温器集成和电路优化，推动量子测量技术从实验室走向计量机构与工业应用。

性能验证：电学参量测量精度

电压测量范围：0.24 mV – 6.5 mV，误差低于0.1 μV/V；

电阻测量：基于QAHR的量子化值（h/e2≈25.8 kΩ），相对标准不确定性＜10??；

电流推导精度：通过V/R关系间接计算，综合误差较传统方法降低2个数量级；

环境适应性：在4 K低温下稳定运行，抗干扰能力优于分立系统。

结论与展望

本研究通过集成QAHR与PJVS系统，首次实现了单一量子设备对电学三基本单位的高精度测量，解决了多量子系统兼容性与磁场干扰的长期难题。该技术将直接应用于国家标准实验室、半导体校准、精密仪器制造及医学诊断设备等领域，提升测量一致性与可靠性。未来研究方向包括：

1.微型化与芯片集成：开发片上量子测量电路，进一步降低成本与能耗；

2.拓展测量范围：优化PJVS阵列设计以支持更高电压（≥10 V）与电流；

3.推动新材料研发：探索更高温、更稳定的量子材料（如二维拓扑绝缘体），促进量子计量技术普及。