伴随科技的进步，微电子学、材料学、精密机械学、生命科学和生物学的研究已深入到原子范围。为适应这一进步，迫切需要具备计量意义的纳米、亚纳米精度测量系统，因此，从上世纪八十年代开始，越来越诞生了一门崭新的学科——纳米计量学。
1982年，IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希和瑞士物理学家罗雷尔设计了世界上第一台扫描隧道显微镜（STM），并于1986年获得诺贝尔物理学奖。STM的原理借助了物理学上的隧道效应及隧道电流，它用一个极细的探针（针尖为单个原子）接近试件表面，并在探针与试件之间施加偏压，当两者接近到纳米级距离时即产生隧道电流，其大小与距离成反比。STM在计量中有两种应用办法：一种是通过反馈维持隧道电流为定值，用于测试试件表面形貌；另一种是通过测量隧道电流的大小来表征探针与试件间的距离。
继扫描隧道显微镜之后，相继出现了一系列测量尺度可达到原子量级的测试技术与仪器，如原子力显微镜（AFM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。这类先进技术的应用，使人类有史以来首次可以察看到单个原子在物质表面的排列状况，并成功达成了原子搬迁。
但，这类仪器只不过“察看”到分子的内部结构，没量的定义。在计量学实质应用中，还需要解决溯源问题，打造计量标准，即需要提供一种可溯源的、具备纳米量级精度的长度测量方法。上世纪九十年代以来，各国科学家对此进行了很多研究。中国计量科学研究院与德国PDB合作研制了可自校准和达成绝对测量的原子力显微镜、差拍F－B干预仪等，解决了单维尺寸的溯源和测量问题。
1994年美国NIST研制成功第一台三维分子测量机（Molecular Measuring Machine），它实质是一台超高精度的三坐标测量机，测量范围为50mm×50mm×12mm，空间测量不确定度为1nm。该测量机使用可以溯源的超高分辨率外差激光干预仪作为测量系统，干预仪使用光学8倍频和相位100细分，使分辨率达到0．075nm。分子测量机的探针分为两种：低分辨率测量时使用共焦光学显微镜；高分辨率测量时使用隧道显微镜或原子力显微镜。
分子测量机不但解决了计量溯源问题，达成了真正意义的纳米测量，而且可以操作一簇分子和原子（甚至单个原子），可应用于微型机械、纳米管、纳米材料处置等技术范围，是纳米科技研究和应用不可或缺的要紧方法。