随着核磁共振（NMR）、塞曼效应等物理现象和效应的相继发现与应用，磁学测量逐渐步入了量子时代，核磁共振磁强计、质子磁强计开始作为恒定磁场标准装置的主标准，将部分磁学计量标准测量不确定度由10⁻⁴量级提高到了10⁻⁵ ~ 10⁻⁶量级，磁场计量标准开始通过自然常数溯源至时间频率标准。本世纪以来，基于量子的各类测量技术得到快速发展，进一步带动了磁学计量技术的量子化发展。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中国船舶集团有限公司第七一〇研究所、国防科技工业弱磁一级计量站的研究团队在《宇航计测技术》期刊上发表了题为“基于量子测量技术的磁学计量发展概述”的文章，针对磁学量子测量技术发展历程，以及各国基于量子磁强计建立的磁学量子计量标准能力，介绍了多款量子磁强计；通过总结国内外量子磁强计的发展现状及其优势，分析了其替代现行磁参数计量标准的可行性及优点；同时提出了未来量子测量技术在磁学计量标准量子化方面潜在的研究方向。
现有的磁学计量标准
在磁场计量中，常使用磁感应强度来描述磁场，通常将穿过均匀磁化介质单位横截面积的磁通量称为磁感应强度。磁学计量标准通过各种原理的磁强计来实现磁感应强度的准确测量。目前，已有的磁学量子标准按测量范围可分为恒定中强磁场标准和恒定弱磁场标准，其中恒定中强磁场标准采用核磁共振磁强计，恒定弱磁场标准则采用质子磁强计。
（1）恒定中强磁场标准
核磁共振磁强计是恒定中强磁场标准装置的主标准器，其原理是当具有磁矩的原子核位于磁场中时会按拉莫尔频率进动，向原子核系统加入射频磁场，当激发频率通过拉莫尔频率时，原子核将产生共振响应，由此确定拉莫尔频率。
表1 核磁共振磁强计水平比较
表2 各国恒定中强磁场标准能力比较
（2）恒定弱磁场标准
质子磁强计是利用内部工作物质（例如煤油）中氢质子的拉莫尔进动频率计算得到磁场强度，分为质子进动磁强计和Overhauser磁强计。质子磁强计与利用电子磁矩进动的磁强计相比有较高的绝对精度。在质子磁强计的基础上引入Overhauser效应，利用取向电子极化氢质子的磁强计称为Overhauser磁强计。与传统磁强计相比，Overhauser磁强计极化效率高、功耗更低、信号更强、准确度更高，但成本远高于传统质子磁强计，寿命较短。
表3 质子磁强计国内外发展现状
表4 各国恒定弱磁场标准能力比较
磁学量子测量技术的发展概述
从技术路径来看，核磁共振磁强计、质子磁强计是目前较为成熟的量子磁强计，而光泵磁强计（OPM）、相干布居俘获（CPT）磁强计、无自旋交换弛豫（SERF）磁强计、金刚石氮-空位（NV）色心磁强计、超导量子磁强计等还有较大的发展空间。
（1）光泵磁强计技术
光泵磁强计（OPM）通常按不同的工作元素分为惰性气体光泵磁强计和碱金属原子光泵磁强计，光泵磁强计又称原子磁强计。基于光泵磁强计的光泵浦效应工作原理的SERF、CPT、旋光效应磁强计也是广义的光泵磁强计。
表5 光泵磁强计国内外发展现状
（2）相干布居俘获技术
相干布居俘获（CPT）技术是一种在原子系统中实现的量子干涉效应。CPT磁强计相较于OPM磁强计的一个明显优势是基于全光学共振，其磁探头可不依赖射频线圈，仅依靠光学元件组成，使其探头小型化成为可能，以此大幅提高空间分辨率。同时，可完全避免射频线圈产生额外磁场噪声，使CPT磁强计具有准确度高、无测量死区和环境适应强等特点。
表6 CPT磁强计国内外发展现状
（3）无自旋交换弛豫技术
无自旋交换弛豫（SERF）磁强计是一种运行在SERF态下的新型碱金属原子磁强计，工作原理是利用零磁环境大幅降低原子拉莫尔进动频率，同时高温提高原子密度增加自旋交换率，当自选交换率大于拉莫尔进动频率时可以充分抑制原子的自旋交换弛豫，提高磁场测量准确度。SERF磁强计是目前探测灵敏度最高的磁强计，缺点是只能在极弱磁场下工作，需要价格昂贵的磁屏蔽装置。
表7 SERF磁强计国内外发展现状
（4）金刚石氮-空位色心技术
金刚石氮-空位（NV）中心被称为NV色心，NV色心中带一个负电的NV对外界耦合环境高度敏感，所以NV被广泛用于量子精密测量。NV色心磁强计就是利用了NV对磁场的响应来对磁场进行测量，特点是无需低温冷却即可保证生物相容性和高灵敏度。根据上述特点，金刚石NV色心体系按浓度可以被用于高分辨率和高灵敏度磁测量。NV色心系综用于高分辨率磁测量，单NV色心用于高灵敏度磁测量。
表8 国内外NV色心磁强计发展现状
（5）超导量子干涉技术
超导量子干涉器件（SQUID）主要由约瑟夫森结和超导环组成，基于理论，可以探测所有可以转化为磁通的物理量，是一种非常灵敏的磁通传感器。按约瑟夫森结来分类，超导环中含有一个的称为交流（rf）SQUID，含有两个约瑟夫森结的称为直流（dc）SQUID。按组成超导的材料来分类，又可分为低温SQUID和高温SQUID。
目前，高精度的SQUID磁力仪可以满足fT级磁场变化量的测量需求。但由于SQUID磁力仪工作温度低、体积大，需要使用液氮或者液氦冷却系统，目前暂未应用到计量标准建设中，主要应用于生物磁测、磁场强度较低的核磁共振成像、地球物理探勘等方面。
量子磁测量技术在计量上的应用前景
随着量子测量技术的不断发展，量子测量技术在磁学计量标准量子化方面将有广泛的应用前景，未来量子测量技术的研究方向包括但不限于以下几个方面：
（1）铯-氦（Cs-He）光泵磁强计：替代目前的质子磁强计，一方面可以将我国20 ~ 100 μT恒定弱磁场标准装置的测量不确定度由0.3 ~ 0.6 nT提高至0.03 nT甚至更高；另一方面，扩展Cs-He光泵磁强计测量范围，可以将恒定弱场计量标准量子化的测量范围由目前的20 ~ 100 μT扩展到0.5 μT ~ 1 mT；
（2）CPT磁强计：一方面，实现360°无死区的地磁场精密测量，将恒定弱磁场计量能力由实验室校准扩展到原位在线校准；另一方面，扩展其测量范围上限，由目前的0.1 mT扩展到10 mT甚至30 ~ 50 mT，与核磁共振磁强计的测量范围下限衔接，填补目前0.1 ~ 50 mT范围内恒定磁场量子化标准的空白；
（3）Overhauser矢量磁强计：由目前的标量磁场测量扩展到矢量磁强计测量，实现磁通门磁强计等地磁场矢量磁强计的量子化校准；
（4）K光泵磁强计：替代Cs光泵磁强计用于20 ~ 100 μT恒定弱磁场标准装置的干扰磁场补偿，可避免同类型光泵磁强计校准时互相干扰的难题；
（5）各种新型光泵磁强计：一是进一步提高磁场灵敏度，以实现更低磁场噪声的标准磁场；二是提高频率动态范围，实现低频磁场标准的量子化；三是降低其探头体积，提高空间分辨力，用于量子化的梯度弱磁场标准；
（6）金刚石NV色心系综磁强计：一方面利用其体积小、空间分辨力高的特点，可以实现梯度弱磁场标准的量子化；另一方面，利用其晶轴在金刚石中四个不同方向恒定的特征，可以实现真正的矢量磁场测量，建立高度正交的矢量磁场标准；
（7）SERF磁强计：一方面利用其超高灵敏度的特点，实现超低磁场噪声的量子化测量；另一方面，进一步扩展其频率范围，实现低频磁场标准的量子化；
（8）发展基于量子磁强计的磁矩测量技术，实现磁矩计量标准的量子化。
总而言之，基于经典物理技术的磁计量标准正在逐步过渡为量子标准，一方面是因为量子标准基于对量子的操纵，测量精度可突破经典极限；另一方面，量子系统赋予计量标准更好的稳定性，使其更好地适应于精密测量。当前，以光泵磁强计、CPT磁强计、SERF磁强计、金刚石NV色心磁强计等量子磁强计为代表的磁学量子测量技术正处于快速发展阶段，为磁学计量标准的量子化发展提供了广阔的情景。
论文信息：
DOI: 10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.02
