打造全新戰(zhàn)艦出航

一個多世紀以前，德國工業(yè)晉級“德國制造”。這正是德國計量學科興起的時候，德國國家計量院（PTB）因此而誕生。加上多樣化的標準和無處不在的認證，它們共同成為德國精密制造的保障。

今天，測量和測試技術又一次在歷史上起著決定性的作用——所有創(chuàng)新學科領域都依賴于大量復雜聯(lián)網的測量數據，智能能源網絡需要精準的電計量，尤其是對參與高頻交易的電力和應對災害風險，汽車自動駕駛也產生了大量精準計量的需求。數字化車間、個性化醫(yī)療或基于測試數據，都使得計量成為新的焦點。這一切，高頻數據、海量數據、人工智能算法，是否真的可以成為令人信賴的透明生產力，都需要得到嚴密的監(jiān)控。從技術創(chuàng)新，產品開發(fā)，到標準化的監(jiān)管和批準，乃至市場準入的連續(xù)質量保證，計量創(chuàng)新必不可少?！暗聡圃臁碧岢隽诵略妇?，其涉及的計量和測試必須是網絡化和便捷的，這需要全新的架構和程序，確保聯(lián)網（測量）數據、參考和測試數據集的質量。上述新措施事關人們對人工智能決策的信任。測量和測試技術作為德國國家質量基礎設施（NQI）的核心組成部分，其前沿和基石領域都有哪些激動人心的進展？都在體系層面進行了哪些扁平化的革新并與產業(yè)，特別是制造業(yè)緊密結合？德國國家計量院給出了全新的答案，那就是數字化計量。因此它申請德國政府，成立了專門數字化的計量院：系統(tǒng)計量學創(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預研局（DARPA）的活性，美國也成立了更具獨立和靈活性質的第二創(chuàng)新中心（DIUX），而且就放在硅谷。每一個老機構，即使是致力于創(chuàng)新，也需要培育出第二機體。系統(tǒng)計量學創(chuàng)新中心（IZSM）的使命是，對于傳感器、網絡和算法所構成的數字世界，必須保持精準性和確定性。這個任務聽上去很簡單，其實不然，這是一種對百年計量基石的一次顛覆，它需要一種古老計量學所不熟悉的科學和數據能力。于是，IZSM中心必須以扁平化、靈活性、項目為導向的組織結構，保證系統(tǒng)能力的快速實施。IZSM和德國計量研究院通過互補的組織和秩序形式發(fā)揮作用。

敏捷、靈活、開放的IZSM，是數字化的催化劑，加快了數字和網絡測量數據產品的創(chuàng)新周期。作為一個跨應用研發(fā)能力的中心，IZSM其實是最重要的“系統(tǒng)計量”。它需要有一種系統(tǒng)工程的視角，重新審視已經確立的秩序。這需要它以合法獨立的中心來運營，而且需要獲得長期的基本公共資金。在最初每年約5000萬歐元的基礎上，實現(xiàn)逐年增長。計劃初期雇用500人，并在PTB的兩個院區(qū)同地辦公，IZSM將在建筑和基本設備方面投資總共約1億歐元。 全新成立的系統(tǒng)計量學創(chuàng)新中心（IZSM），成為德國計量這條百年大船派出駛向深海的一艘先驅戰(zhàn)艦。系統(tǒng)計量學創(chuàng)新中心（IZSM）充當基于數據的產品創(chuàng)新周期的催化劑，而PTB則保證了可靠的框架。

風光無限的能源計量

俄烏沖突為德國的能源轉型暫時帶來了陰云。但德國能源轉型目標長期并不會動搖。它需要在幾十年內創(chuàng)建一個全新的、可持續(xù)的、分布的能源系統(tǒng)，實現(xiàn)二氧化碳零排放。德國國家計量機構，就是要建立可靠的測量，滿足從工業(yè)界、政策層面決策者以及消費者保護領域的計量和檢測。德國國家計量機構已經開發(fā)出部分世界獨一無二的測量和校準技術選項，不僅在太陽能和風能領域，也包括輸配電網絡、電池和其他存儲元件、氫技術的發(fā)展和能源效率。能源轉型提供了成為“德國制造”氣候友好型技術舞臺的機會。但這只有憑借出色的測量技術才能成功。它是環(huán)境和氣候保護以及安全、環(huán)保和經濟的能源供應關鍵學科。根據德國政府的計劃，到2050年，所需電能50%將來自風力渦輪機。對大轉子直徑的高性能、高大風力渦輪機的技術要求是巨大的，并且非常需要對渦輪機的可靠運行進行校準。因此，PTB建立了一個風能能力中心，成為第一個能夠為風能行業(yè)提供可靠和全面質量保證的國家計量機構。專有技術包括：大型三坐標測量機，用于對高精度齒輪部件等大型部件（5m×4mx2m測量體積）進行計量追溯。世界上最大的扭矩標準測量設備，最大扭矩可達5MNm，并有望將該系統(tǒng)長期擴展至20MNm，它還可用于風勢分析最先進的激光雷達傳感器技術（光檢測和測距），包括用于校準和精準確定激光雷達系統(tǒng)的風洞以及開發(fā)用于預測由風力渦輪機引起的飛行安全設備中斷的預測方法。

最前沿的量子計量

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。但在科學家看，卻越來越成功地直接控制了量子世界。量子產業(yè)應用，也緊隨其后。從安全數據傳輸的量子通信和具有超乎想象的計算能力的量子計算機，到用于化學反應的量子模擬，還有用于醫(yī)學診斷的量子傳感器，都在釋放商業(yè)化的潛力。歐盟委員會設立價值數十億美元的“量子技術旗艦”資助計劃以及配套的德國國家資助計劃正在廣泛推動提高這一潛力。與此同時，傳統(tǒng)公司以及新興企業(yè)都在推動發(fā)展，將基于量子技術 (QT) 的全新產品推向市場。那就必須來測量一下量子：即使它的壞脾氣、即使它的不確定性、即使它具有測量即崩塌的不可知性。世界以量子力學方式計時的發(fā)現(xiàn)已有100多年的歷史。今天，我們認為量子物理學的許多技術應用是理所當然的——從激光到半導體技術再到磁共振成像 (MRT)。德國計量研究院以其測量技術站在量子力學起點，正在推動第二次量子革命的計量可能性，為此，PTB專門成立量子技術能力中心?！暗诙孔蛹夹g”可以控制單個量子對象并有針對性地使用基本量子效應——用于未來的技術創(chuàng)新，這使得使用下一代原子鐘、更精確的電氣標準和醫(yī)學測量成為可能。首先是時間上的測量，如何建立量子級原子鐘。原子鐘廣泛用于衛(wèi)星導航：為了定位自身或物體，評估交換信號的傳播時間，即原則上，時鐘走得越精確，定位就越準確。而測量地球的引力場，也是重大挑戰(zhàn)。原子鐘對它們的位置非常敏感。根據愛因斯坦的相對論，局部引力會影響時間的進程，從而影響時鐘的進程。原子鐘在海平面上的滴答聲，與在山上相比，二者并不相同。今天最好的時鐘已經記錄了幾厘米的高度差異。同樣，量子磁場傳感器也將在醫(yī)學成像發(fā)揮重要作用。人類對磁場沒有感覺，但通過傳感器可以檢測生物體內的磁場，并將它們專門用于醫(yī)學成像，量子效應越來越多地用于收集使用傳統(tǒng)方法無法獲得的信息。了解人體內部情況的方法之一是測量大腦在思考時或心跳時產生的非常微弱的磁場。對這種弱磁場反應非常敏感的傳感器使用量子效應，例如超導性來實現(xiàn)計量測試。還有醫(yī)學生物標志物，醫(yī)學會使用“間諜傳感器”來找出內部病變的情況。如納米顆粒被植入到患者體內，它們的路徑可能會受到某些顆粒特性的影響，例如可以追蹤它們的磁性來實現(xiàn)醫(yī)學檢測。而超導量子干涉裝置 (SQUID) 是高度敏感的傳感器，特別適用于檢測非常弱的磁場。SQUID磁力計多年來一直用于測量人腦神經元活動產生的最小磁場。德國計量研究院的SQUID技術由“光泵磁強計(OPM)”補充，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。生物體內的磁場非常小，相比之下，地球磁場和我們電氣化世界的磁場是巨大的。因此，德國計量研究院在世界上“磁最安靜的地方”（“柏林磁屏蔽室BMSR”）的特殊屏蔽室中執(zhí)行其生物磁參考測量。該設施和技術也對來自工業(yè)和研究的外部合作伙伴開放。還有令人癡迷的量子計算機。經典比特的值為0或1，這種二進制是當前計算機的根基，所有芯片、操作系統(tǒng)和應用，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，而是同時描述了兩種可能性。經典計算機只能以大量位和非?？斓膯蝹€步驟連續(xù)計算，而量子計算機則可以大規(guī)模并行工作。然而，先決條件是對脆弱的量子位進行極好的隔離，并對這些量子位的狀態(tài)進行極好的控制。如果滿足這些要求，量子計算機已經可以解決當今超級計算機無法解決的具有約50個量子比特的特殊任務。量子密碼學也令人感興趣。大數據時代，人已經被徹底數字化、透明化。大量數據被收集、處理并通過光纖、空氣或衛(wèi)星進行交換。每個人都以無數比特的方式，形成永無止境的信息流，以光速橫穿全球。但是，這類數據需要在發(fā)送者和接收者之間安全地交換，從醫(yī)學中的患者數據，到銀行之間的財務數據，到高度敏感政治和經濟數據。量子世界的原則承諾具有內在安全的數據傳輸。使用基于自然定律而不是數學算法的量子加密，物理上不可能被“竊聽”。在德國計量研究院的量子技術能力中心，已經為這些層出不窮的量子應用，牢牢打下基礎。

精準醫(yī)療的關鍵

醫(yī)學測量有著悠久的傳統(tǒng)，而定量和個性化醫(yī)療的發(fā)展，正在有著更廣闊的未來。測量必須精確、可靠并建立信任。這就是計量的核心競爭力所在，因為它確保了許多重要測量方法的可追溯性。歐盟體外診斷法規(guī)以及德國醫(yī)療器械法，都有明確的計量要求。根據《測量和校準法》，德國計量研究院是德國唯一一家進行聲級計型式檢驗的指定機構。計量學對于醫(yī)學最重要的發(fā)展之一至關重要：越來越多的定量測量趨勢，例如在定量磁共振成像領域。德國計量研究院也在進一步加強與醫(yī)生、診所和醫(yī)療技術行業(yè)的連接性。在為個體量身定制的醫(yī)學之路上，聲學發(fā)揮著開創(chuàng)性的作用，因為它長期以來一直關注在明確的個體和年齡相關領域建立可量化的測量數據。例如，在一個歐洲項目中開發(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試，并能夠為所有年齡組使用特定的聽力閾值。另一項重要任務是防止噪音，歐洲環(huán)境署將其歸類為日益嚴重的環(huán)境問題，其測量必須符合法律要求。在超聲波領域也是如此，它維護國家標準并進行水聽器的校準。所有這些任務都關乎患者和超聲用戶（如醫(yī)生）的安全，以及加強現(xiàn)有的計量基礎設施。在聽覺頻譜的另一端，對于可能由各種環(huán)境因素引起的次聲，必須首先建立這個基礎設施，聲學專家仍然看到了很大的研究潛力。自新冠大流行開始以來，大多數人都知道實驗室值在醫(yī)學中的重要性。所有醫(yī)學診斷決策的很大一部分是基于對體液中診斷標志物濃度的定量分析。在檢驗醫(yī)學中，根據歐盟體外診斷法規(guī)，所有控制材料必須在計量上可追溯。德國計量研究院在血清中蛋白質的定量和流式細胞儀細胞計數方面，具有很高的聲譽。然而，測量總是落后市場。由于生物醫(yī)學和生物化學的快速發(fā)展，產生了許多診斷和治療的新方法，導致測量技術的發(fā)展卻始終跟不上。考慮到市場、立法和研究的國際性：德國計量研究院與其他九個歐洲機構一起，在歐洲國家計量機構協(xié)會 （EURAMET）的支持下聯(lián)手形成了一個研究網絡，“用于檢驗醫(yī)學可追溯性的歐洲計量網絡 (EMN)”。針對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，單獨或與化學療法或手術相結合。精確測量各種輻射療法所沉積的能量，是至關重要的。它的特點是測量變量“吸收劑量”。使用德國計量研究院的主要標準，該單元可以以世界上最低的測量不確定度表示，并通過二級標準的校準傳遞。最終，德國放射治療診所用于此目的的所有劑量計都可以通過完整的校準鏈追溯到德國計量研究院的主要標準。

環(huán)境氣候監(jiān)測立新功

環(huán)境和氣候的惡化，復雜性超過了碳排放的目標，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)測方面最重要的國際伙伴是世界氣象組織 (WMO)。該組織運營全球大氣監(jiān)視網 (GAW) 和全球氣候觀測系統(tǒng) (GCOS) 等。例如，后者定義了54個基本氣候變量，即旨在描述全球氣候狀況的物理、化學和生物參數。這些數量的變化其實都非常小，需要長期、高度準確和可靠（即可追溯至國際單位制）測量，才能識別它的演進方向。在環(huán)境保護方面，德國計量研究院的一個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。德國計量研究院還負責車輛尾氣測量的可追溯性和認證，并不斷擴展其在該領域的技能。氣候監(jiān)測的一項關鍵任務是觀察影響溫室效應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 (GAW) 計劃中借助飛機、氣球或無人機測量大氣。德國計量研究院提供計量支持活躍于水、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、揮發(fā)性有機化合物（VOC）和煙塵氣溶膠測量的國際單位制可追溯性，并制定了國家標準和測量方法。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，定義更為嚴格，因此不斷面臨新的計量挑戰(zhàn)。目前只能費很大力氣才能確定污染物的垂直分布。而德國聯(lián)邦交通和數字基礎設施部資助的“MessBAR”項目出發(fā)點就是提高這種測量效率。于是，德國計量研究院與聯(lián)邦環(huán)境署正在MessBAR項目框架下開發(fā)和驗證基于無人機的飛行測量系統(tǒng)。三架直升機配備了用于檢測細塵、煤煙、氮氧化物和臭氧的微型傳感器，在高達一公里的城市和大都市地區(qū)附近確定空間的污染。

小記：計量創(chuàng)新，是基石，更是前沿

計量學是一門測量科學，一直以來都對人類社會的共存具有重要意義。它一直是商品交換和貿易發(fā)展的先決條件。而數字化，正在極大地擴展了計量學的邊界。但計量學，依然保有著其對于社會和經濟發(fā)展的基石和前沿作用。在能源轉型背景下不僅提供了“德國制造”氣候友好型技術、下一代原子鐘和精準醫(yī)學測量提供可能、刷新診斷和治療器械的精度，都在為人類保駕護航。而基于測量數據的精準計量，是數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量。