隨著核磁共振（NMR）、塞曼效應等物理現象和效應的相繼發現與應用，磁學測量逐漸步入了量子時代，核磁共振磁強計、質子磁強計開始作為恒定磁場標準裝置的主標準，將部分磁學計量標準測量不確定度由10??量級提高到了10?? ~ 10??量級，磁場計量標準開始通過自然常數溯源至時間頻率標準。本世紀以來，基于量子的各類測量技術得到快速發展，進一步帶動了磁學計量技術的量子化發展。
據麥姆斯咨詢報道，針對該領域研究，中國船舶集團有限公司第七一〇研究所、國防科技工業弱磁一級計量站的研究團隊在《宇航計測技術》期刊上發表了題為“基于量子測量技術的磁學計量發展概述”的文章，針對磁學量子測量技術發展歷程，以及各國基于量子磁強計建立的磁學量子計量標準能力，介紹了多款量子磁強計；通過總結國內外量子磁強計的發展現狀及其優勢，分析了其替代現行磁參數計量標準的可行性及優點；同時提出了未來量子測量技術在磁學計量標準量子化方面潛在的研究方向。
現有的磁學計量標準
在磁場計量中，常使用磁感應強度來描述磁場，通常將穿過均勻磁化介質單位橫截面積的磁通量稱為磁感應強度。磁學計量標準通過各種原理的磁強計來實現磁感應強度的準確測量。目前，已有的磁學量子標準按測量范圍可分為恒定中強磁場標準和恒定弱磁場標準，其中恒定中強磁場標準采用核磁共振磁強計，恒定弱磁場標準則采用質子磁強計。
（1）恒定中強磁場標準
核磁共振磁強計是恒定中強磁場標準裝置的主標準器，其原理是當具有磁矩的原子核位于磁場中時會按拉莫爾頻率進動，向原子核系統加入射頻磁場，當激發頻率通過拉莫爾頻率時，原子核將產生共振響應，由此確定拉莫爾頻率。
表1 核磁共振磁強計水平比較
表2 各國恒定中強磁場標準能力比較
（2）恒定弱磁場標準
質子磁強計是利用內部工作物質（例如煤油）中氫質子的拉莫爾進動頻率計算得到磁場強度，分為質子進動磁強計和Overhauser磁強計。質子磁強計與利用電子磁矩進動的磁強計相比有較高的絕對精度。在質子磁強計的基礎上引入Overhauser效應，利用取向電子極化氫質子的磁強計稱為Overhauser磁強計。與傳統磁強計相比，Overhauser磁強計極化效率高、功耗更低、信號更強、準確度更高，但成本遠高于傳統質子磁強計，壽命較短。
表3 質子磁強計國內外發展現狀
表4 各國恒定弱磁場標準能力比較
磁學量子測量技術的發展概述
從技術路徑來看，核磁共振磁強計、質子磁強計是目前較為成熟的量子磁強計，而光泵磁強計（OPM）、相干布居俘獲（CPT）磁強計、無自旋交換弛豫（SERF）磁強計、金剛石氮-空位（NV）色心磁強計、超導量子磁強計等還有較大的發展空間。
（1）光泵磁強計技術
光泵磁強計（OPM）通常按不同的工作元素分為惰性氣體光泵磁強計和堿金屬原子光泵磁強計，光泵磁強計又稱原子磁強計。基于光泵磁強計的光泵浦效應工作原理的SERF、CPT、旋光效應磁強計也是廣義的光泵磁強計。
表5 光泵磁強計國內外發展現狀
（2）相干布居俘獲技術
相干布居俘獲（CPT）技術是一種在原子系統中實現的量子干涉效應。CPT磁強計相較于OPM磁強計的一個明顯優勢是基于全光學共振，其磁探頭可不依賴射頻線圈，僅依靠光學元件組成，使其探頭小型化成為可能，以此大幅提高空間分辨率。同時，可完全避免射頻線圈產生額外磁場噪聲，使CPT磁強計具有準確度高、無測量死區和環境適應強等特點。
表6 CPT磁強計國內外發展現狀
（3）無自旋交換弛豫技術
無自旋交換弛豫（SERF）磁強計是一種運行在SERF態下的新型堿金屬原子磁強計，工作原理是利用零磁環境大幅降低原子拉莫爾進動頻率，同時高溫提高原子密度增加自旋交換率，當自選交換率大于拉莫爾進動頻率時可以充分抑制原子的自旋交換弛豫，提高磁場測量準確度。SERF磁強計是目前探測靈敏度最高的磁強計，缺點是只能在極弱磁場下工作，需要價格昂貴的磁屏蔽裝置。
表7 SERF磁強計國內外發展現狀
（4）金剛石氮-空位色心技術
金剛石氮-空位（NV）中心被稱為NV色心，NV色心中帶一個負電的NV對外界耦合環境高度敏感，所以NV被廣泛用于量子精密測量。NV色心磁強計就是利用了NV對磁場的響應來對磁場進行測量，特點是無需低溫冷卻即可保證生物相容性和高靈敏度。根據上述特點，金剛石NV色心體系按濃度可以被用于高分辨率和高靈敏度磁測量。NV色心系綜用于高分辨率磁測量，單NV色心用于高靈敏度磁測量。
表8 國內外NV色心磁強計發展現狀
（5）超導量子干涉技術
超導量子干涉器件（SQUID）主要由約瑟夫森結和超導環組成，基于理論，可以探測所有可以轉化為磁通的物理量，是一種非常靈敏的磁通傳感器。按約瑟夫森結來分類，超導環中含有一個的稱為交流（rf）SQUID，含有兩個約瑟夫森結的稱為直流（dc）SQUID。按組成超導的材料來分類，又可分為低溫SQUID和高溫SQUID。
目前，高精度的SQUID磁力儀可以滿足fT級磁場變化量的測量需求。但由于SQUID磁力儀工作溫度低、體積大，需要使用液氮或者液氦冷卻系統，目前暫未應用到計量標準建設中，主要應用于生物磁測、磁場強度較低的核磁共振成像、地球物理探勘等方面。
量子磁測量技術在計量上的應用前景
隨著量子測量技術的不斷發展，量子測量技術在磁學計量標準量子化方面將有廣泛的應用前景，未來量子測量技術的研究方向包括但不限于以下幾個方面：
（1）銫-氦（Cs-He）光泵磁強計：替代目前的質子磁強計，一方面可以將我國20 ~ 100 μT恒定弱磁場標準裝置的測量不確定度由0.3 ~ 0.6 nT提高至0.03 nT甚至更高；另一方面，擴展Cs-He光泵磁強計測量范圍，可以將恒定弱場計量標準量子化的測量范圍由目前的20 ~ 100 μT擴展到0.5 μT ~ 1 mT；
（2）CPT磁強計：一方面，實現360°無死區的地磁場精密測量，將恒定弱磁場計量能力由實驗室校準擴展到原位在線校準；另一方面，擴展其測量范圍上限，由目前的0.1 mT擴展到10 mT甚至30 ~ 50 mT，與核磁共振磁強計的測量范圍下限銜接，填補目前0.1 ~ 50 mT范圍內恒定磁場量子化標準的空白；
（3）Overhauser矢量磁強計：由目前的標量磁場測量擴展到矢量磁強計測量，實現磁通門磁強計等地磁場矢量磁強計的量子化校準；
（4）K光泵磁強計：替代Cs光泵磁強計用于20 ~ 100 μT恒定弱磁場標準裝置的干擾磁場補償，可避免同類型光泵磁強計校準時互相干擾的難題；
（5）各種新型光泵磁強計：一是進一步提高磁場靈敏度，以實現更低磁場噪聲的標準磁場；二是提高頻率動態范圍，實現低頻磁場標準的量子化；三是降低其探頭體積，提高空間分辨力，用于量子化的梯度弱磁場標準；
（6）金剛石NV色心系綜磁強計：一方面利用其體積小、空間分辨力高的特點，可以實現梯度弱磁場標準的量子化；另一方面，利用其晶軸在金剛石中四個不同方向恒定的特征，可以實現真正的矢量磁場測量，建立高度正交的矢量磁場標準；
（7）SERF磁強計：一方面利用其超高靈敏度的特點，實現超低磁場噪聲的量子化測量；另一方面，進一步擴展其頻率范圍，實現低頻磁場標準的量子化；
（8）發展基于量子磁強計的磁矩測量技術，實現磁矩計量標準的量子化。
總而言之，基于經典物理技術的磁計量標準正在逐步過渡為量子標準，一方面是因為量子標準基于對量子的操縱，測量精度可突破經典極限；另一方面，量子系統賦予計量標準更好的穩定性，使其更好地適應于精密測量。當前，以光泵磁強計、CPT磁強計、SERF磁強計、金剛石NV色心磁強計等量子磁強計為代表的磁學量子測量技術正處于快速發展階段，為磁學計量標準的量子化發展提供了廣闊的情景。
論文信息：
DOI: 10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.02
