IEEE仪器与测量汇刊CPEM 2024特辑——精密电磁测量前沿与技术革新

《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》：Guest Editorial Special Section on IEEE CPEM 2024

本特辑聚焦于2024年IEEE精密电磁测量大会（CPEM）的最新研究成果，旨在应对新兴技术对电磁计量提出的挑战。研究人员围绕电压、电流、阻抗、微波传感、Rydberg原子传感器、Kibble天平等主题展开研究，最终收录37篇论文。这些工作推动了超导量子计算机可扩展性等关键技术的计量学发展，对精密工程与测量科学具有重要意义。

　　

在当今科技飞速发展的时代，精密电磁测量如同一位沉默的基石，支撑着从量子计算到新一代通信技术的众多关键领域。然而，随着“临界与新兴技术”的不断涌现，对电磁参量的测量精度、稳定性和可追溯性提出了前所未有的苛刻要求。如何确保这些前沿技术所依赖的电磁量值准确可靠，成为全球计量学家和工程师们面临的共同挑战。正是在这样的背景下，备受瞩目的2024年度精密电磁测量大会（Conference on Precision Electromagnetic Measurements, CPEM）于7月8日至12日在美国科罗拉多州奥罗拉的盖洛德落基山度假村会议中心举行。本次会议由美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）的博尔德实验室主导，并与国际标准实验室联盟（NCSL International, NCSLI）联合举办，主题定为“聚焦临界与新兴技术”，旨在汇集全球顶尖智慧，共同攻克电磁计量领域的难题。

CPEM会议的历史可以追溯到1958年，由NIST的前身——美国国家标准局在博尔德创立，如今已被公认为电磁计量科学与工程领域最重要国际盛会。CPEM 2024的成功举办，离不开大会主席Alexandra (Aly) Artusio-Glimpse和Marla Dowell的有效领导，以及由Samuel Benz和Erich Grossman共同主持的技术程序委员会的辛勤付出。该委员会及其技术项目负责人团队（包括Aly Artusio-Glimpse, Alain Rifenacht, Branislav Djokic, Dean Jarrett, Stephan Schlamminger, Andrew Novick和Yicheng Wang）共119名成员，对提交的所有短文进行了严格评审。经过两轮评审，最终有201篇短文被录用，议题涵盖了电压、电流、电阻、阻抗、微波与磁传感器、基于里德堡原子（Rydberg atoms）的传感器、基布尔天平（Kibble balance）与静电天平、磁测量、射频与微波测量、时间与频率、热转换器、功率与能量等多个方向，并特别设立了一个关于促进超导量子计算机可扩展性的计量学（metrology for promoting scalability of superconducting quantum computers）专题会议。

在这些会议论文的基础上，研究人员进一步深化研究，共有64篇扩展论文提交至《IEEE仪器与测量汇刊》（IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT）的本特辑。特约编辑Ron Goldfarb, Dimitrios Georgakopoulos, Djamel Allal和Yin Hsien Fung确保了这些文章符合期刊的投稿要求。在期刊管理员Laura Roach的协调下，经过规范的同行评审流程，并由期刊常任编辑管理评审工作，最终有37篇高质量论文被录用发表。本次联合会议的组织与后勤工作由Carol Hockert和Rob Knake负责，而NCSLI方面的技术程序主席则由Jorge Martins, Dilip Shah和Heather Wade担任。此外，Andrew Novick, Terri Viezbicke等人还协调组织了NIST博尔德实验室的参观活动。CPEM的永久赞助方包括国际计量局（Bureau International des Poids et Mesures, BIPM）、NCSL International、IEEE仪器与测量协会（IEEE Instrumentation and Measurement Society）以及加拿大国家研究委员会（National Research Council Canada）。CPEM 2024的赞助商则包括Transcat Inc.、Fluke公司和Measurements International。

关键的技术方法主要包括基于里德堡原子的精密传感技术、用于质量与电学单位复现的基布尔天平技术、高频与微波范围的精密测量技术、以及针对超导量子比特等新兴器件的专用计量方案。这些研究依托于NIST博尔德实验室等国家计量机构的先进设施和标准装置。

研究成果主要围绕以下几个核心方向展开：

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  电压、电流、电阻与阻抗测量：研究人员报道了在直流与低频交流条件下，电压、电流、电阻和阻抗的精密测量新方法。这些研究致力于提高测量的准确度和稳定性，为电子学基础量值的传递提供更可靠的依据。
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  微波与磁性传感器：该方向探索了新型微波传感器和磁性传感器的设计与性能。重点在于提升传感器在复杂环境下的灵敏度与抗干扰能力，以满足工业检测和科学研究的需要。
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  基于里德堡原子的传感器：这是一个快速发展的前沿领域。研究展示了利用里德堡原子对电场的高度敏感性来实现的精密测量技术，为微波电场测量提供了全新的、极具潜力的解决方案。
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  基布尔天平与静电天平：这些研究聚焦于通过基布尔天平和静电天平实现质量单位千克与电学单位（如安培、伏特）的量子化重新定义（quantum-based redefinition）的实践。这项工作是将国际单位制（SI）新定义转化为实际可操作标准的关键步骤。
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  磁测量：涵盖了从地磁场到强磁场的各种磁测量技术。研究目标包括开发高精度的磁强计和标准磁场发生装置，服务于从地球物理到材料科学等多个学科。
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  射频与微波测量：针对无线通信、雷达等应用所涉及的高频电磁信号，研究人员开发了更精确的功率、噪声、散射参数（S参数）等参数的测量方法和校准技术。
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  时间与频率：作为最精确的物理量，时间频率的测量始终是核心议题。研究涉及原子钟（atomic clocks）的性能提升、时间频率信号的远距离比对与传递技术，为导航、通信网络和基础物理研究提供支撑。
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  热转换器、功率与能量：该部分研究关注电能与热能的转换测量，特别是热转换器（thermal converters）在交流直流转换标准中的应用，以及高精度电能、功率的测量方法，对智能电网和能源效率评估至关重要。
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  促进超导量子计算机可扩展性的计量学：这是本次会议的特设主题。研究针对超导量子计算机（superconducting quantum computers）研发中遇到的计量挑战，如量子比特（qubit）参数的精确表征、控制信号的校准等，旨在为量子计算技术的规模化发展建立必要的计量基础。

综上所述，本特辑所收录的37篇论文集中展示了当前精密电磁测量领域的最新进展。这些研究不仅深化了对传统电磁量测量的理解，更重要的是，它们积极应对了量子技术、先进通信等新兴领域带来的计量学挑战。通过发展基于物理常数的量子计量标准（quantum metrology standards）、创新传感器技术以及建立针对特定应用的测量方案，这些工作为“临界与新兴技术”的可靠发展与产业化铺平了道路。会议组织者衷心感谢所有参会者、作者、审稿人、分会主席和技术程序委员会成员的努力，正是他们的贡献使得CPEM 2024取得了圆满成功，并推动了本领域知识的边界。这些成果发表在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》上，必将对仪器科学、测量技术和相关工业应用产生深远影响。