量子磁力计的基本情况如何？其主要技术路径有哪些？

你好，关于量子磁力计的基本情况及主要技术路径，在《量子精密测量系列报告：量子磁力计报告》中有提及，具体信息可以查找原报告了解。

一、量子磁力计的基本介绍

量子磁力计（Quantum magnetometer）也称量子磁强计，是依据近现代量子 物理原理设计制造的磁测量仪器1。其发展伴随着第二次量子革命，特点是操纵 和控制单个量子（如原子、离子、电子、光子、分子等），测量精度允许突破经 典极限，达到海森堡极限。宏观物体的磁性源于微观粒子的磁性，其中主要是来 自其内部所包含的电子的磁性2，通过物理学实验，人们发现组成宏观物体的许 多基本物质粒子，例如电子、原子核以及原子自身，都与磁场存在相互作用。

量子磁力计有望改善传感器的尺寸、重量、成本和灵敏度，并且其物理实现 已在多个量子体系中得到发展，例如核子旋进磁力计、超导量子干涉装置磁力计、 原子磁力计、金刚石 NV 色心磁力计等。

二、主要技术路径

目前，量子磁力计技术主要基于微观粒子的自旋体系磁测量，SQUID 基于 超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象。新一代量子磁力计的主要目标是进一步提 高微磁测量精度，降低成本并提高其使用推广也是其主要发展方向，目前原子磁 力计能在室温下工作并且测量精度已经超过了 SQUID 磁力计。 

本节主要介绍各量子磁力计的原理，梳理并总结了当前主要的量子磁力计技 术路径：核子旋进磁力计、SQUID 磁力计、光泵磁力计、SERF 磁力计、NMOR 磁力计、CPT 磁力计、金刚石 NV 色心磁力计。

1、核子旋进磁力计

在 应 用 地 球 物 理 学 中 使 用 的 核 子 旋 进 磁 力 计 （ Nuclear-Precession Magnetometer）有三种：质子磁力计、欧弗豪泽效应质子磁力计（Overhauser effect proton magnetometer，OVM）和氦 3（3He）磁力计。前两者利用氢原子核即质 子的自旋磁矩在外磁场中的旋进来测量磁场，而 3He 磁力计则是利用 3He 的核磁矩在外磁场中的旋进来测量磁场5。

2、超导量子干涉器件磁力计

超导量子干涉器件（SQUID）磁力计其功能是一种磁通传感器。这种技术允 许在宏观尺度上制造一个量子系统，并可以通过微波信号进行有效的控制。 SQUID 是目前主要的磁力传感器之一，缺点需要在低温环境下运行。

SQUID 根据所使用的超导材料，可分为低温超导 SQUID 和高温超导 SQUID； 又可根据超导环中插入的约瑟夫森结的个数，分为直流超导量子干涉器件 （DC-SQUID）和交流超导量子干涉器件（RF-SQUID）。DC-SQUID 由直流偏 置制成双结的形式；RF-SQUID 由射频信号作偏置，具体采用的是单结形式6。 DC-SQUID 可以用于测量微弱磁场，作为目前灵敏度较高的磁力计其灵敏度可达 到 1 fT/Hz 1/2 7。

3、原子磁力计

原子磁力计（Atomic Magnetometer）又称全光学磁力仪（All Optical Atomic Magnetometer）8，其包含多种不同技术路径的磁力计。

4、金刚石氮空位色心磁力计

不同于基于原子蒸汽的碱金属原子磁力计，金刚石氮空位（diamond nitrogen-vacancy）色心磁力计基于固体介质，因具有极高的空间分辨能力而受到 关注。金刚石 NV 色心磁力计原理是单电子自旋比特的相干操纵，金刚石晶体中的 NV 色心作为一个量子比特的电子自旋，与外部磁场耦合，特点是无需低温冷 却即可保证生物相容性和高灵敏度，被广泛应用在生物大分子和基础物理等方面 的研究中。并且该材料的生物信号成像在理论上接近光学衍射极限，具有极优的 空间分辨率16。

目前，基于单 NV 色心的磁测量技术在灵敏度指标上己经实现了纳米尺度分 辨率以及可测得单核自旋的灵敏度。2015 年，中国科大杜江峰团队利用 NV 色 心作为量子探针，在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。 该研究不仅将磁共振技术的研究对象从数十亿个分子推进到单个分子，“室温大 气”这一宽松的实验环境也为该技术未来在生命科学等领域的广泛应用提供了必 要条件，使得高分辨率的纳米磁共振成像及诊断成为可能。

与单 NV 色心的磁测量技术略有不同，基于系综 NV 色心的磁测量技术通常 面向的是宏观磁场的测量。在应用方面，基于系综 NV 色心的磁力计己测得了蠕 虫神经元产生的磁信号、涡流成像、古地磁学中的矿石检测等。中国在系综 NV 色心磁测量领域的研究相对起步稍晚。在 2016 年左右中国有团队开展该领域的 研究，包括中国科大、北航等17。2020 年，中国科大杜江峰团队结合磁通聚集方 法将系综