打造全新戰(zhàn)艦出航

一個(gè)多世紀(jì)以前，德國工業(yè)晉級(jí)“德國制造”。這正是德國計(jì)量學(xué)科興起的時(shí)候，德國國家計(jì)量院（PTB）因此而誕生。加上多樣化的標(biāo)準(zhǔn)和無處不在的認(rèn)證，它們共同成為德國精密制造的保障。

今天，測(cè)量和測(cè)試技術(shù)又一次在歷史上起著決定性的作用——所有創(chuàng)新學(xué)科領(lǐng)域都依賴于大量復(fù)雜聯(lián)網(wǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，智能能源網(wǎng)絡(luò)需要精準(zhǔn)的電計(jì)量，尤其是對(duì)參與高頻交易的電力和應(yīng)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，汽車自動(dòng)駕駛也產(chǎn)生了大量精準(zhǔn)計(jì)量的需求。數(shù)字化車間、個(gè)性化醫(yī)療或基于測(cè)試數(shù)據(jù)，都使得計(jì)量成為新的焦點(diǎn)。這一切，高頻數(shù)據(jù)、海量數(shù)據(jù)、人工智能算法，是否真的可以成為令人信賴的透明生產(chǎn)力，都需要得到嚴(yán)密的監(jiān)控。從技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品開發(fā)，到標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)管和批準(zhǔn)，乃至市場(chǎng)準(zhǔn)入的連續(xù)質(zhì)量保證，計(jì)量創(chuàng)新必不可少?！暗聡圃臁碧岢隽诵略妇埃渖婕暗挠?jì)量和測(cè)試必須是網(wǎng)絡(luò)化和便捷的，這需要全新的架構(gòu)和程序，確保聯(lián)網(wǎng)（測(cè)量）數(shù)據(jù)、參考和測(cè)試數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。上述新措施事關(guān)人們對(duì)人工智能決策的信任。測(cè)量和測(cè)試技術(shù)作為德國國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施（NQI）的核心組成部分，其前沿和基石領(lǐng)域都有哪些激動(dòng)人心的進(jìn)展？都在體系層面進(jìn)行了哪些扁平化的革新并與產(chǎn)業(yè)，特別是制造業(yè)緊密結(jié)合？德國國家計(jì)量院給出了全新的答案，那就是數(shù)字化計(jì)量。因此它申請(qǐng)德國政府，成立了專門數(shù)字化的計(jì)量院：系統(tǒng)計(jì)量學(xué)創(chuàng)新中心（IZSM）。就像是為了旨在保持美軍顛覆性創(chuàng)新的能力和美國國防部高級(jí)預(yù)研局（DARPA）的活性，美國也成立了更具獨(dú)立和靈活性質(zhì)的第二創(chuàng)新中心（DIUX），而且就放在硅谷。每一個(gè)老機(jī)構(gòu)，即使是致力于創(chuàng)新，也需要培育出第二機(jī)體。系統(tǒng)計(jì)量學(xué)創(chuàng)新中心（IZSM）的使命是，對(duì)于傳感器、網(wǎng)絡(luò)和算法所構(gòu)成的數(shù)字世界，必須保持精準(zhǔn)性和確定性。這個(gè)任務(wù)聽上去很簡(jiǎn)單，其實(shí)不然，這是一種對(duì)百年計(jì)量基石的一次顛覆，它需要一種古老計(jì)量學(xué)所不熟悉的科學(xué)和數(shù)據(jù)能力。于是，IZSM中心必須以扁平化、靈活性、項(xiàng)目為導(dǎo)向的組織結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)能力的快速實(shí)施。IZSM和德國計(jì)量研究院通過互補(bǔ)的組織和秩序形式發(fā)揮作用。

敏捷、靈活、開放的IZSM，是數(shù)字化的催化劑，加快了數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品的創(chuàng)新周期。作為一個(gè)跨應(yīng)用研發(fā)能力的中心，IZSM其實(shí)是最重要的“系統(tǒng)計(jì)量”。它需要有一種系統(tǒng)工程的視角，重新審視已經(jīng)確立的秩序。這需要它以合法獨(dú)立的中心來運(yùn)營(yíng)，而且需要獲得長(zhǎng)期的基本公共資金。在最初每年約5000萬歐元的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)逐年增長(zhǎng)。計(jì)劃初期雇用500人，并在PTB的兩個(gè)院區(qū)同地辦公，IZSM將在建筑和基本設(shè)備方面投資總共約1億歐元。 全新成立的系統(tǒng)計(jì)量學(xué)創(chuàng)新中心（IZSM），成為德國計(jì)量這條百年大船派出駛向深海的一艘先驅(qū)戰(zhàn)艦。系統(tǒng)計(jì)量學(xué)創(chuàng)新中心（IZSM）充當(dāng)基于數(shù)據(jù)的產(chǎn)品創(chuàng)新周期的催化劑，而PTB則保證了可靠的框架。

風(fēng)光無限的能源計(jì)量

俄烏沖突為德國的能源轉(zhuǎn)型暫時(shí)帶來了陰云。但德國能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)長(zhǎng)期并不會(huì)動(dòng)搖。它需要在幾十年內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)全新的、可持續(xù)的、分布的能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。德國國家計(jì)量機(jī)構(gòu)，就是要建立可靠的測(cè)量，滿足從工業(yè)界、政策層面決策者以及消費(fèi)者保護(hù)領(lǐng)域的計(jì)量和檢測(cè)。德國國家計(jì)量機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出部分世界獨(dú)一無二的測(cè)量和校準(zhǔn)技術(shù)選項(xiàng)，不僅在太陽能和風(fēng)能領(lǐng)域，也包括輸配電網(wǎng)絡(luò)、電池和其他存儲(chǔ)元件、氫技術(shù)的發(fā)展和能源效率。能源轉(zhuǎn)型提供了成為“德國制造”氣候友好型技術(shù)舞臺(tái)的機(jī)會(huì)。但這只有憑借出色的測(cè)量技術(shù)才能成功。它是環(huán)境和氣候保護(hù)以及安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的能源供應(yīng)關(guān)鍵學(xué)科。根據(jù)德國政府的計(jì)劃，到2050年，所需電能50%將來自風(fēng)力渦輪機(jī)。對(duì)大轉(zhuǎn)子直徑的高性能、高大風(fēng)力渦輪機(jī)的技術(shù)要求是巨大的，并且非常需要對(duì)渦輪機(jī)的可靠運(yùn)行進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，PTB建立了一個(gè)風(fēng)能能力中心，成為第一個(gè)能夠?yàn)轱L(fēng)能行業(yè)提供可靠和全面質(zhì)量保證的國家計(jì)量機(jī)構(gòu)。專有技術(shù)包括：大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，用于對(duì)高精度齒輪部件等大型部件（5m×4mx2m測(cè)量體積）進(jìn)行計(jì)量追溯。世界上最大的扭矩標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備，最大扭矩可達(dá)5MNm，并有望將該系統(tǒng)長(zhǎng)期擴(kuò)展至20MNm，它還可用于風(fēng)勢(shì)分析最先進(jìn)的激光雷達(dá)傳感器技術(shù)（光檢測(cè)和測(cè)距），包括用于校準(zhǔn)和精準(zhǔn)確定激光雷達(dá)系統(tǒng)的風(fēng)洞以及開發(fā)用于預(yù)測(cè)由風(fēng)力渦輪機(jī)引起的飛行安全設(shè)備中斷的預(yù)測(cè)方法。

最前沿的量子計(jì)量

量子就是鬼怪精靈。它的誕生是神秘的，但即使人們掌握了它的原理，它的運(yùn)行依然是神秘的。連中科大一位教授的量子科技成果，居然也是眾說紛紜，一直成為熱點(diǎn)。但在科學(xué)家看，卻越來越成功地直接控制了量子世界。量子產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，也緊隨其后。從安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧孔油ㄐ藕途哂谐跸胂蟮挠?jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)，到用于化學(xué)反應(yīng)的量子模擬，還有用于醫(yī)學(xué)診斷的量子傳感器，都在釋放商業(yè)化的潛力。歐盟委員會(huì)設(shè)立價(jià)值數(shù)十億美元的“量子技術(shù)旗艦”資助計(jì)劃以及配套的德國國家資助計(jì)劃正在廣泛推動(dòng)提高這一潛力。與此同時(shí)，傳統(tǒng)公司以及新興企業(yè)都在推動(dòng)發(fā)展，將基于量子技術(shù) (QT) 的全新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。那就必須來測(cè)量一下量子：即使它的壞脾氣、即使它的不確定性、即使它具有測(cè)量即崩塌的不可知性。世界以量子力學(xué)方式計(jì)時(shí)的發(fā)現(xiàn)已有100多年的歷史。今天，我們認(rèn)為量子物理學(xué)的許多技術(shù)應(yīng)用是理所當(dāng)然的——從激光到半導(dǎo)體技術(shù)再到磁共振成像 (MRT)。德國計(jì)量研究院以其測(cè)量技術(shù)站在量子力學(xué)起點(diǎn)，正在推動(dòng)第二次量子革命的計(jì)量可能性，為此，PTB專門成立量子技術(shù)能力中心?！暗诙孔蛹夹g(shù)”可以控制單個(gè)量子對(duì)象并有針對(duì)性地使用基本量子效應(yīng)——用于未來的技術(shù)創(chuàng)新，這使得使用下一代原子鐘、更精確的電氣標(biāo)準(zhǔn)和醫(yī)學(xué)測(cè)量成為可能。首先是時(shí)間上的測(cè)量，如何建立量子級(jí)原子鐘。原子鐘廣泛用于衛(wèi)星導(dǎo)航：為了定位自身或物體，評(píng)估交換信號(hào)的傳播時(shí)間，即原則上，時(shí)鐘走得越精確，定位就越準(zhǔn)確。而測(cè)量地球的引力場(chǎng)，也是重大挑戰(zhàn)。原子鐘對(duì)它們的位置非常敏感。根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論，局部引力會(huì)影響時(shí)間的進(jìn)程，從而影響時(shí)鐘的進(jìn)程。原子鐘在海平面上的滴答聲，與在山上相比，二者并不相同。今天最好的時(shí)鐘已經(jīng)記錄了幾厘米的高度差異。同樣，量子磁場(chǎng)傳感器也將在醫(yī)學(xué)成像發(fā)揮重要作用。人類對(duì)磁場(chǎng)沒有感覺，但通過傳感器可以檢測(cè)生物體內(nèi)的磁場(chǎng)，并將它們專門用于醫(yī)學(xué)成像，量子效應(yīng)越來越多地用于收集使用傳統(tǒng)方法無法獲得的信息。了解人體內(nèi)部情況的方法之一是測(cè)量大腦在思考時(shí)或心跳時(shí)產(chǎn)生的非常微弱的磁場(chǎng)。對(duì)這種弱磁場(chǎng)反應(yīng)非常敏感的傳感器使用量子效應(yīng)，例如超導(dǎo)性來實(shí)現(xiàn)計(jì)量測(cè)試。還有醫(yī)學(xué)生物標(biāo)志物，醫(yī)學(xué)會(huì)使用“間諜傳感器”來找出內(nèi)部病變的情況。如納米顆粒被植入到患者體內(nèi)，它們的路徑可能會(huì)受到某些顆粒特性的影響，例如可以追蹤它們的磁性來實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)檢測(cè)。而超導(dǎo)量子干涉裝置 (SQUID) 是高度敏感的傳感器，特別適用于檢測(cè)非常弱的磁場(chǎng)。SQUID磁力計(jì)多年來一直用于測(cè)量人腦神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的最小磁場(chǎng)。德國計(jì)量研究院的SQUID技術(shù)由“光泵磁強(qiáng)計(jì)(OPM)”補(bǔ)充，其中原子自旋用激光“讀取”，與SQUID相比，且不需要在如液氦等低溫下冷卻。生物體內(nèi)的磁場(chǎng)非常小，相比之下，地球磁場(chǎng)和我們電氣化世界的磁場(chǎng)是巨大的。因此，德國計(jì)量研究院在世界上“磁最安靜的地方”（“柏林磁屏蔽室BMSR”）的特殊屏蔽室中執(zhí)行其生物磁參考測(cè)量。該設(shè)施和技術(shù)也對(duì)來自工業(yè)和研究的外部合作伙伴開放。還有令人癡迷的量子計(jì)算機(jī)。經(jīng)典比特的值為0或1，這種二進(jìn)制是當(dāng)前計(jì)算機(jī)的根基，所有芯片、操作系統(tǒng)和應(yīng)用，都是建立在這樣的基石之上。然而，量子比特（qubit）卻沒有描述這種選擇，而是同時(shí)描述了兩種可能性。經(jīng)典計(jì)算機(jī)只能以大量位和非?？斓膯蝹€(gè)步驟連續(xù)計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)則可以大規(guī)模并行工作。然而，先決條件是對(duì)脆弱的量子位進(jìn)行極好的隔離，并對(duì)這些量子位的狀態(tài)進(jìn)行極好的控制。如果滿足這些要求，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以解決當(dāng)今超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決的具有約50個(gè)量子比特的特殊任務(wù)。量子密碼學(xué)也令人感興趣。大數(shù)據(jù)時(shí)代，人已經(jīng)被徹底數(shù)字化、透明化。大量數(shù)據(jù)被收集、處理并通過光纖、空氣或衛(wèi)星進(jìn)行交換。每個(gè)人都以無數(shù)比特的方式，形成永無止境的信息流，以光速橫穿全球。但是，這類數(shù)據(jù)需要在發(fā)送者和接收者之間安全地交換，從醫(yī)學(xué)中的患者數(shù)據(jù)，到銀行之間的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，到高度敏感政治和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。量子世界的原則承諾具有內(nèi)在安全的數(shù)據(jù)傳輸。使用基于自然定律而不是數(shù)學(xué)算法的量子加密，物理上不可能被“竊聽”。在德國計(jì)量研究院的量子技術(shù)能力中心，已經(jīng)為這些層出不窮的量子應(yīng)用，牢牢打下基礎(chǔ)。

精準(zhǔn)醫(yī)療的關(guān)鍵

醫(yī)學(xué)測(cè)量有著悠久的傳統(tǒng)，而定量和個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展，正在有著更廣闊的未來。測(cè)量必須精確、可靠并建立信任。這就是計(jì)量的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在，因?yàn)樗_保了許多重要測(cè)量方法的可追溯性。歐盟體外診斷法規(guī)以及德國醫(yī)療器械法，都有明確的計(jì)量要求。根據(jù)《測(cè)量和校準(zhǔn)法》，德國計(jì)量研究院是德國唯一一家進(jìn)行聲級(jí)計(jì)型式檢驗(yàn)的指定機(jī)構(gòu)。計(jì)量學(xué)對(duì)于醫(yī)學(xué)最重要的發(fā)展之一至關(guān)重要：越來越多的定量測(cè)量趨勢(shì)，例如在定量磁共振成像領(lǐng)域。德國計(jì)量研究院也在進(jìn)一步加強(qiáng)與醫(yī)生、診所和醫(yī)療技術(shù)行業(yè)的連接性。在為個(gè)體量身定制的醫(yī)學(xué)之路上，聲學(xué)發(fā)揮著開創(chuàng)性的作用，因?yàn)樗L(zhǎng)期以來一直關(guān)注在明確的個(gè)體和年齡相關(guān)領(lǐng)域建立可量化的測(cè)量數(shù)據(jù)。例如，在一個(gè)歐洲項(xiàng)目中開發(fā)了一種耳朵模擬器，該模擬器顯著改善了新生兒的聽力測(cè)試，并能夠?yàn)樗心挲g組使用特定的聽力閾值。另一項(xiàng)重要任務(wù)是防止噪音，歐洲環(huán)境署將其歸類為日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，其測(cè)量必須符合法律要求。在超聲波領(lǐng)域也是如此，它維護(hù)國家標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行水聽器的校準(zhǔn)。所有這些任務(wù)都關(guān)乎患者和超聲用戶（如醫(yī)生）的安全，以及加強(qiáng)現(xiàn)有的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施。在聽覺頻譜的另一端，對(duì)于可能由各種環(huán)境因素引起的次聲，必須首先建立這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施，聲學(xué)專家仍然看到了很大的研究潛力。自新冠大流行開始以來，大多數(shù)人都知道實(shí)驗(yàn)室值在醫(yī)學(xué)中的重要性。所有醫(yī)學(xué)診斷決策的很大一部分是基于對(duì)體液中診斷標(biāo)志物濃度的定量分析。在檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)中，根據(jù)歐盟體外診斷法規(guī)，所有控制材料必須在計(jì)量上可追溯。德國計(jì)量研究院在血清中蛋白質(zhì)的定量和流式細(xì)胞儀細(xì)胞計(jì)數(shù)方面，具有很高的聲譽(yù)。然而，測(cè)量總是落后市場(chǎng)。由于生物醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了許多診斷和治療的新方法，導(dǎo)致測(cè)量技術(shù)的發(fā)展卻始終跟不上。考慮到市場(chǎng)、立法和研究的國際性：德國計(jì)量研究院與其他九個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)一起，在歐洲國家計(jì)量機(jī)構(gòu)協(xié)會(huì) （EURAMET）的支持下聯(lián)手形成了一個(gè)研究網(wǎng)絡(luò)，“用于檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)可追溯性的歐洲計(jì)量網(wǎng)絡(luò) (EMN)”。針對(duì)腫瘤的正確劑量也在興起。每年有50萬德國人被診斷出患有癌癥——而且這種趨勢(shì)還因老齡化在上升。超過一半的癌癥患者接受放射治療，單獨(dú)或與化學(xué)療法或手術(shù)相結(jié)合。精確測(cè)量各種輻射療法所沉積的能量，是至關(guān)重要的。它的特點(diǎn)是測(cè)量變量“吸收劑量”。使用德國計(jì)量研究院的主要標(biāo)準(zhǔn)，該單元可以以世界上最低的測(cè)量不確定度表示，并通過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)傳遞。最終，德國放射治療診所用于此目的的所有劑量計(jì)都可以通過完整的校準(zhǔn)鏈追溯到德國計(jì)量研究院的主要標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境氣候監(jiān)測(cè)立新功

環(huán)境和氣候的惡化，復(fù)雜性超過了碳排放的目標(biāo)，也超越了國界。由于環(huán)境和氣候變化不分國界，因此在氣候監(jiān)測(cè)方面最重要的國際伙伴是世界氣象組織 (WMO)。該組織運(yùn)營(yíng)全球大氣監(jiān)視網(wǎng) (GAW) 和全球氣候觀測(cè)系統(tǒng) (GCOS) 等。例如，后者定義了54個(gè)基本氣候變量，即旨在描述全球氣候狀況的物理、化學(xué)和生物參數(shù)。這些數(shù)量的變化其實(shí)都非常小，需要長(zhǎng)期、高度準(zhǔn)確和可靠（即可追溯至國際單位制）測(cè)量，才能識(shí)別它的演進(jìn)方向。在環(huán)境保護(hù)方面，德國計(jì)量研究院的一個(gè)重要合作伙伴是德國聯(lián)邦環(huán)境署（UBA）；除其他外，歐洲空氣和水框架指令提供了法律框架。德國計(jì)量研究院還負(fù)責(zé)車輛尾氣測(cè)量的可追溯性和認(rèn)證，并不斷擴(kuò)展其在該領(lǐng)域的技能。氣候監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是觀察影響溫室效應(yīng)的最重要的大氣成分。除了使用地面站和衛(wèi)星外，世界氣象組織（WMO）還在其全球大氣監(jiān)視網(wǎng) (GAW) 計(jì)劃中借助飛機(jī)、氣球或無人機(jī)測(cè)量大氣。德國計(jì)量研究院提供計(jì)量支持活躍于水、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）和煙塵氣溶膠測(cè)量的國際單位制可追溯性，并制定了國家標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法。由于新污染物（如氮氧化物、一氧化碳或顆粒物）被歸類為具有優(yōu)先級(jí)，定義更為嚴(yán)格，因此不斷面臨新的計(jì)量挑戰(zhàn)。目前只能費(fèi)很大力氣才能確定污染物的垂直分布。而德國聯(lián)邦交通和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部資助的“MessBAR”項(xiàng)目出發(fā)點(diǎn)就是提高這種測(cè)量效率。于是，德國計(jì)量研究院與聯(lián)邦環(huán)境署正在MessBAR項(xiàng)目框架下開發(fā)和驗(yàn)證基于無人機(jī)的飛行測(cè)量系統(tǒng)。三架直升機(jī)配備了用于檢測(cè)細(xì)塵、煤煙、氮氧化物和臭氧的微型傳感器，在高達(dá)一公里的城市和大都市地區(qū)附近確定空間的污染。

小記：計(jì)量創(chuàng)新，是基石，更是前沿

計(jì)量學(xué)是一門測(cè)量科學(xué)，一直以來都對(duì)人類社會(huì)的共存具有重要意義。它一直是商品交換和貿(mào)易發(fā)展的先決條件。而數(shù)字化，正在極大地?cái)U(kuò)展了計(jì)量學(xué)的邊界。但計(jì)量學(xué)，依然保有著其對(duì)于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石和前沿作用。在能源轉(zhuǎn)型背景下不僅提供了“德國制造”氣候友好型技術(shù)、下一代原子鐘和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)測(cè)量提供可能、刷新診斷和治療器械的精度，都在為人類保駕護(hù)航。而基于測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)計(jì)量，是數(shù)字化世界可以令人信賴的根本保障。“德國制造”的基石，正在重新被打磨，光彩奪目地走向新質(zhì)量。