近日，由同济大学牵头完成的“量子化光晶格常数的纳米计量关键技术及集成电路应用”项目获国家科学技术进步奖一等奖。项目由同济大学、上海御微半导体技术有限公司、中国计量科学研究院、桂林电子科技大学，上海市计量测试技术研究院有限公司合作完成。团队历经二十余年攻关，创新发明出“量子化光晶格常数纳米计量新技术”，为纳米制造提供了精准“标尺”，缩短了纳米计量传递链，提升了扁平化水平，为集成电路产业高质量发展提供了自主可控的纳米计量保障。
计量，纳米制造的“精度命脉”
纳米制造是新一代信息技术、新材料、生物制造、高端装备等众多领域的共同基石，而每一个制造环节，都离不开精准的纳米尺度测量。在先进纳米制造领域，测得出才能造得出，测得准才能造得精。这个道理并不复杂，但在纳米尺度上做到极致精准，挑战远超想象。
纳米制造的每一道工序都有严苛的准确度要求，而所有工序的准确度，最终都依赖一个前提：测量设备本身必须准。这就需要用标准物质为设备定期校准——项目团队成员打了个比方，“好比用标准砝码校验天平，砝码不准，测量就失去了参照。”
这套校准体系传统上采用多级量值传递：从国家基准到计量仪器，再到国家一级、二级标准物质，层层传递到工厂现场。链条长、环节多，每传递一次就累积一层误差。越是追求准确度，传递过程中的误差积累就越难以忽略。
在这一困境的驱动下，国际计量学界推动着两个重要转向：一是计量单位量子化，用自然界不变的常数来定义“米”“千克”等基本单位；二是量值传递扁平化，把精准的尺子直接做到产业现场去。
同济大学团队由此瞄准了一个前沿目标：能否在纳米计量领域，把自然界的常数变成一把可以嵌入产业应用的精准纳米尺，让量值传递从“接力赛”变成“一步直达”？沿着“量子化、扁平化”这一思路，团队展开了二十余年的持续攻关。
让原子照着自然常数
“站”成一把尺
一把精准的纳米标尺，刻度归根结底由原子构成。原子排得越整齐，刻度才越精准。如何让亿万个原子准确均匀地排列到固定位置，成为关键难点。
经过多年努力，团队创新采用一种名为“量子化光晶格”的精准复现新方法，巧妙攻下这一难题。
基于量子化光晶格常数的纳米标尺高精度制造技术
其核心思路，是用自然常数本身来定义刻度。铬原子在真空中具有固定的量子跃迁波长，这是一个天然的量子化纳米常数，不受环境变化影响。团队利用光频梳将激光锁定在这一波长上，两束相向而行的激光在空间中叠出一列明暗相间、周期恒定的驻波——这就是“量子化光晶格”，宛如一副用光铸成的“模具”，格点周期（即晶格常数）恰好等于量子化激光波长的一半，与铬原子的跃迁波长牢牢锁定。
模具就位，下一步是让原子“站”上去。经激光横向冷却而“安静”下来的铬原子穿过光晶格，被光场逐一引导、落位到格点上，在基底上生长出一排排整齐的刻线。
这套方法的巧妙之处在于：刻度不是机器刻出来的，而是原子照着自然常数这张“图纸”自己“站”出来的。机器会磨损、会漂移，但自然常数不会。这把尺子天生就是精准的、一致的，放上几年依然准。
基于量子化光晶格常数制造纳米标尺的精密装置
基于这一原理，团队创建了量子化光晶格物化为直接溯源光栅标准的超稳制造技术和装置，系列光栅获批5项国家一级标准物质。实测数据显示，纳米长度标准物质的三年长期稳定性、样品间一致性均达到皮米（0.001纳米）量级，准确度达到国际领先水平。团队还首次建立了我国纳米尺度下的角度标准物质，角度绝对准确性达到0.001°量级，相当于把一个蛋糕按扇形均分成三十六万份，为集成电路等先进纳米制造的校准与标定提供有力支撑。
为国产纳米制造
装上“精准标尺”
尺子准了，更要让产业用得上。量子化光晶格常数铸出的“纳米标尺”，天生具备复现和传递“米”定义的能力，这意味着它无需层层“接力”，即可在产业现场实现一步校准、直接溯源，尤其适用于“扁平化、嵌入式、小型化”等现场应用需求强的场景。沿着这一思路，团队在仪器和标准片两个方向上推进了技术落地。
作为核心技术之一支撑实现“我国首批高端仪器装备计量测评装置研制成功”，获央视报道
在仪器端，团队自主研发了光栅干涉型计量仪器和读出系统，将量子化标准尺嵌入现场计量设备中。这套装置作为核心技术之一，支撑实现了我国首批高端仪器装备计量测评装置的研制成功，意味着我国在该领域的能力迈上了新台阶。
团队成功研制晶圆级标准片并获批多项国家二级标准物质
在标准片端，团队将标准物质做到晶圆上，制成光栅、栅格、线宽、缺陷等各类参量的晶圆级标准片，为产业提供了一套自主可控的计量保障。2025年，该技术入选工信部第一批先进适用技术名单，是集成电路制造领域代表性入选项目。此前，以同济大学为主体的“国家集成电路微纳检测设备产业计量测试中心（上海）”正式启动筹建，成为全国集成电路领域首批筹建的国家级产业计量测试中心之一。
“这套技术相当于为产业提供了一套独立溯源的计量保障。”项目团队成员介绍。从量子物理原理出发，到国家一级标准物质、现场校准仪器、晶圆级标准片，一条完整的扁平化纳米计量传递链逐渐成形。目前，项目成果已在国产集成电路量检测设备企业实现应用，有力支撑纳米制造产业高质量发展。
