风能技术中心支持可持续能源的发展

德国物理技术研究院（PTB）新建的“风能技术中心”从能源过渡层面支持德国工业界建立可持续能源供应。风力涡轮机的效率、使用寿命等依赖于安装位置以及操作组件的可靠质量保证。尽管目前在这些领域已有较高准确度的测量仪器，但必须通过与高质量的标准进行比较才能证明测量最终结果的好坏。随着风力涡轮机的高度和单个组件的尺寸越来越大，对测量技术的要求也越来越高。PTB是首个为风能行业提供可靠和全面质量保证的国家计量机构。 

风能技术中心新的Euler I大楼内置一台大型坐标测量机，可以精确测量风力涡轮机最大四米齿轮等超大零件。总可用测量体积为5 m x 4 m x 2 m。另外，PTB使用新的风速测量技术提高了风力涡轮机产量预测能力，用于验证新的激光雷达系统，作为远距离风力测量的移动参考。 

风能技术中心的建成标志着德国有史以来首次拥有可用于校准高达5兆牛米标准的扭矩测量设备。鉴于风力涡轮机尺寸的不断增大，该设备未来将扩展到最大20兆牛米扭矩的测量。正在建设中的Euler-Bau II大楼将于2019年底完工，届时可将几吨重的校准设备安装在特殊基座上。

重新定义测量准确度的极限

德国物理技术研究院（PTB）、德国汉诺威莱布尼兹大学QUEST研究所、莱布尼兹大学理论物理研究所和意大利国家光学研究院的科学家共同引入了一种基于同时适应两个测量参数非经典态的方法，这将实现对揭示常规物质与暗物质之间相互作用分子的精确测量。 

几个世纪以来，人类通过越来越精确地测量光和物质来加深对世界的了解。如今，量子传感器可实现极其精确的测量。比如原子钟的发展，最好的原子钟预计能够实现三百亿年不差一秒。引力波也可以使用光学干涉仪通过量子传感器进行探测。 

量子传感器可以达到根据传统物理学定律不可能实现的灵敏度，但是只有进入量子力学世界才能达到这种灵敏度，比如量子叠加态，即物体可以同时处于两个位置，或者原子可以同时有两种不同能级。 

生成和控制这些非经典态极为复杂，需要很高的灵敏度，因此相关的测量非常容易受到外部干扰。此外，非经典态必须适应特定的测量参数，这通常会增加其他相关参数的测量不准确度，这一概念与海森堡的不确定度原理密切相关。目前，来自PTB、莱布尼兹大学和意大利国家光学研究院的科学家组成了研究团队，引入了一种基于同时适应两个测量参数的非经典态方法。 

研究团队使用这种新方法将测量时间减少一半，而分辨率仍保持不变，即在固定测量时间内将分辨率提高一倍。高分辨率对于基于改变运动状态的光谱技术非常重要。在这种特殊情况下，研究人员打算通过激光照射刺激分子运动来分析单个分子离子。新程序能帮助他们在过强的激光照射破坏前分析分子状态。分子精确测量能够揭示常规物质与暗物质之间的相互作用，这将对解决当代物理学中最大的谜团之一做出巨大贡献。研究人员首次展示的这种测量概念还能够用于提升引力波探测器等光学干涉仪的分辨率，为宇宙起源的研究提供更深刻的视角。

提高气候变化预测的准确度

英国国家物理研究院（NPL）开展的“可溯源辐射测量支撑陆地与日光研究”项目（TRUTHS）, 将大幅提升气候变化预测的准确度。通过建造一个“气候与校准空间实验室”，开展可信赖的标准测量，能够迅速探测气候变化趋势。同时能够准确的重新校准哥白尼卫星等其它卫星，消除偏差，形成一个全球协作的“气候质量”地球观测体系。航天飞机将携带一个超光谱成像仪，能够测量来自太阳的辐射以及地球反射的辐射的精细光谱细节，即类似彩虹色彩的单独波长。 

NPL研发了可溯源至国际单位制的新型机载校准系统，能够实现前所未有的准确度。空间技术和卫星应用作为关键绿色科技使人们能观测地球并记录气候变化。TRUTHS将帮助科学家在更短的时间范围内更加精准的计算地球吸收和反射的能量。能够帮助社会和国家获取并利用可信赖的数据和信息对缓解和适应气候变化的结果做出明智决策是NPL这一工作的战略重点。 

太空地球观测正在促进人们对气候变化的了解，成为一个日益重要的实现可持续发展目标的工具。作为基于太空的国际气候观测系统的重要组成部分，TRUTHS将助力全球气候观测系统、地球观测卫星委员会、世界气象组织、哥白尼气候变化服务和地球观测研究组的研究工作。  

同时，TRUTHS还将提供满足关键辐射平衡基本气候变量，尤其是跟地球碳循环相关需求的观测。欧洲宇航局地球观测项目负责人认为TRUTHS项目能够帮助更好地了解气候变化，为跟其它任务进行相互参考提供精准的测量。

准确测量氢燃料纯度

“欧洲可替代燃料基础设施指令”（AFID）规定为燃料电池车提供的氢气必须满足ISO14687中的纯度规范。英国国家物理研究院（NPL）长期与氢能源制造商合作，以确保产业能够达到这一标准。 

氢燃料补充站必须证明其符合ISO14687的标准，即氢气中能够导致燃料电池损坏的气体杂质最高不得超过13种，这一要求非常严格，需要正确的样品，先进的气体分析方法和可靠的气体标准来保证准确测量。 

为了满足ISO14687的要求，NPL制造并验证了一套新的氢气标准物质，用于研发利用先进的气体分析仪的氢气纯度检测新方法。NPL同时研制了取样方法，能够直接从压强为700巴的氢气补充站中直接提取代表性气体样品。 

NPL研发了“氢气杂质浓缩装置”（HIED），利用基于钯的薄膜将氢气从样品中取出，从而浓缩所有杂质。这样一来，使用类似CG-MS等常规分析仪就能准确的进行ISO14687测量，而无需用一整套昂贵的气体分析仪。 

NPL是英国首个能够为燃料电池车使用的氢气提供纯度认可质量保证测量的机构。这使得ISO14687的氢气浓度技术规范变得非常严格，并在整个欧洲实现强制可溯源，确保了相应法规的健全，促进氢工业的创新。 

NPL的氢气纯度实验室为新的和现有的燃料补充站提供这一检测技术，对所有供给燃料电池车的氢气进行纯度检测，确保其符合ISO14687，支持了氢经济的发展。NPL通过开展质量保证认证，支持了英国首个“零排放”氢气站的启用。这一分析技术消除了重大技术壁垒，到2030年，仅在英国就将有160万燃料电池车上路，1100个氢气补充站投入运营。

原子核钟的研发 – nuClock

原子钟的工作原理是利用原子中的电子作为“钟摆”，由于电子受周围环境的干扰，可能影响准确度的提升，为了进一步提高时间测量的准确度，研究人员希望找到拥有更大能量差的量子态。原子核内所有能级都比单价电子大得多，且电子云保护原子核免受周围环境的干扰，消除了影响测量的副作用，因此，研究人员提出利用原子核的两种量子态作为未来新一代钟的核心。研究人员找到一种非常特殊的原子 – 钍229来设定频率，制造原子核钟。原子核钟一旦研制成功并投入运行，能够用于导航卫星，同步网络，并引导天文学家更好的探索宇宙。 

因此，欧洲启动了原子核钟项目（nuClock），目的是研发一种能够比目前全球领先实验室运行的最精准的原子钟精度更高的钟。 

时间的测量

自古以来，人类最关心时间的测量，每次时间测量技术创新都能推动社会的即时进步。农民通过了解天体运动来确定收获的准确时间。机械钟革新了航海导航，保证一年内不差几秒的石英钟使得人人都能将钟表佩戴在身上。今天，导航卫星搭载原子钟为人们提供了每天使用的GPS信号。 

原子钟测量的是电子两种量子态之间的能量差。大多数的原子钟使用碱性原子的单价电子，比如铷或者铯。用微波频率来转换两种量子态，这只有在微波辐射频率和两种量子态的能差完全对应的情况下才能实现。微波辐射频率与每个微波光子携带和传输至电子的能量是成正比的。频率值能够简单的利用电子设备转换成时间信号。目前这类原子钟的准确度大约为几亿年不差一秒。 

第二代原子钟就是光钟，同样测量电子两种量子态之间的能差，但是这些量子态被几eV的能量分离，对应可见光一个光子的能量。因此，光钟使用激光替代微波辐射来运行。光钟的准确度大约是微波钟的100倍。

原子钟的“核化”

为了进一步提高时间测量的准确度，研究人员寻找拥有更大能量差的量子态。然而更大能差意味着更容易受环境干扰，于是，人们想到利用原子核的两种量子态作为未来新一代钟的核心。因为原子核内所有的能级都比单价电子的大得多，且电子云保护原子核免受周围环境的干扰，因此消除了干扰测量的副作用。2003年，科学家E. Peik和同事建议使用钍229的原子核来建造原子核钟。钍229这一特殊同位素拥有的特性是它的激发核态只比基态高几个eV，因此，能够用激光实现跃迁。这种量子态（异构体）是亚稳态，周期约为一小时，这一点同样有利于钟的运行。 

然而，这一异构体的能量以及其寿命都是未知的。测量这些重要量面临两个巨大的障碍：钍229有放射性，而且它无法自然生成的。尽管如此，要建成一个可运行的钍钟，必须测量上述重要量。为了克服这一障碍，项目组同时启动了几个不同的测量技术方案。

未来前景

基于钍229异构体跃迁建造的原子核光学离子钟，只要能充分实现其窄线宽和系统误差少的优点，它的性能将超越目前最好的光钟。将原子核钟与传统原子钟进行比对，能够用于研究基本常数的漂移，比如量子色耦合参数，甚至精细结构常数。 

固态原子核钟也许无法成为最精准的钟，但它可能将目前需要占用整个布满激光、光学器件和电子仪器的实验室的光钟设备缩小到一个毫米大小的晶体。这将大大降低空间、成本和能源损耗，对新一代导航卫星星载钟来说是一个绝佳的选择。 

异构体跃迁必须发生在真空紫外光谱范围的波长内。目前，产生跃迁所需的可调窄线宽高功率cw激光尚未得到研发。这种激光的研制是一项艰巨的任务，一旦研制成功，将拥有从真空紫外光学光谱到晶片光刻检验等广阔的应用前景。 

对钍的研究重点是一个几eV能级的原子核系统。在这一前提下，能够拓展到另一重要领域 - 中微子物理的研究。比如，原子核钟项目研发的伽马探测器将用于中微子静止质量的测量。此外，我们将使用在原子核系统中研发的光学光谱技术，首次使得用激光操控原子核成为可能。

研究团队

原子核钟项目研究团队包括8个欧洲研究小组，吸引了20多位研究背景从核物理、量子光学到激光研发的科研人员参与。这些来自德国、奥德利、芬兰等地的实验家和理论家们是全球顶尖的领域专家，分别来自德国物理技术研究院（PTB）、维也纳技术大学（TU WIEN）、慕尼黑LM大学（LMU）、海德堡大学、JYVÄSKYLÄ大学、马克思普朗克研究院、托皮卡光学公司。

5G时代

新一代无线通信技术将使更多电子设备更快速地发送信息，促进虚拟现实、无人驾驶等一切新技术的快速发展。美国国家标准与技术研究院（NIST）与产业和学术界合作，充分了解这些技术的研究和发展趋势，以便尽快部署拥有更好用户体验的新一代无线网络。  

NIST研究人员正在使用高频开关阵列天线系统对不同物理环境下的5G信号特性进行系统性研究 

为加速新一代通信技术的准确测量与模型的开发与使用，NIST启动并建立了5G毫米波信道模型联盟，将通信技术公司、学术界和政府在内不同利益相关领域的研究人员联合起来，NIST正在带领这一团队推动5G的加速创新发展。 

预计到2035年，5G技术的广泛使用将在全球形成3.5万亿美元的产值和2200万个就业机会。尽管如此，相关的技术障碍仍不可忽视，一些5G技术所使用的高频信号有可能受到高墙和建筑物等物理屏障的影响。通信产业需要准确的模型与测量技术来更好地了解这些影响。 

NIST5G毫米波信道模型联盟的建立吸引了超过130多个参与者，包括来自高通、因特尔、三星、是德科技和艾克斯塔公司的代表，希望能够合力应对目前5G无线通信部署面临的建模和测量挑战。