光子盒：2022量子精密测量系列-量子磁力计报告（52页）.pdf

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1、i前言磁，是自然界中的一种基本物理属性。小到微观粒子，大到宇宙天体，都存在一定程度的磁性。从古代的指南针，到近代的高斯计，再到数十年前的超导量子干涉仪，磁测量技术随着科技进步在不断发展，磁测量工具被应用在诸多领域，改变着人类社会生活。当前，第二次量子革命下，人们对微观尺度的探索有了更高追求。量子精密测量是量子科技三大领域中产业化进程最快的，而量子磁力计更是量子精密测量产业中的主要代表之一。利用量子力学原理，量子精密测量技术有望突破经典测量的极限，在灵敏度等指标上有较大的优势。磁测量技术在诸如生物医学、科学研究、军事国防和工业检测等重要领域发挥重要价值。目前，量子磁测量研发集中在原子磁力计与金刚

2、石NV色心磁力计等技术路线，并且得到不同程度的商业化应用。量子磁力计正在推动尖端医疗器械的更新迭代，并且成为纳米科学研究的重要工具。ii本期报告关键词微弱磁场测量是量子精密测量领域的一大分支。基于量子理论而设计制造的磁测量仪器设备己逐渐在多种领域得到应用与发展。弱磁测量当前，技术实现上最有潜力、市场关注度较高的量子磁力计按技术路线有核子旋进磁力计、SQUID 磁力计、原子磁力计、金刚石 NV 色心磁力计等。技术路径量子磁力计的商业化目前多在心磁、脑磁、地球物理方面。其中，SQUID磁力计较为成熟，但其有运行环境要求高、运行维护成本高、装置复杂等缺点，不利于量子磁力计的商业化推广。当前在诸多不同

3、技术的磁力计中，SERF 原子磁力计极有可能是下一个很好的替代，它具有小型化、可穿戴、成本较低等优点，使量子磁力计技术有望进一步商业化。当前量子磁力计主要应用如：生物磁（心磁图、脑磁图、细胞科学研究等）、地磁（地球物理研究、空间勘探等）、军事国防（脑机接口、水下绘图与导航、水上反潜等）；工业检测（无损探伤、材料检测等）。量子磁力计亟待提升精度、稳定性等，以及带来一些前所未有的功能，从而拓展更多领域的应用。商业化应用领域iiiiv趋势 1：量子磁力计在国防军事应用中已有发展方向据公开信息，量子磁力计在军事方面的用途包括不依赖于GPS等当前传统地理定位技术的地磁导航、反潜战等。当前，量子磁力计已在

4、磁异常地图测绘与水上反潜技术得到应用，磁异常地图用于惯性导航与量子导航的定位，不依赖GNSS（全球导航卫星系统）与雷达，反潜技术主要通过水平面上的机载悬挂航空磁力仪对水下目标识别。未来，量子磁力计将有以下几种军事应用融合发展：第一，量子磁力计完成地理测绘地图后，可应用于量子导航系统，与量子重力仪等量子传感器配合使用，提供更精准的信息，减轻对GNSS、雷达的依赖；第二，用于反潜战的舰载磁力计的使能技术仍需提升，增强对潜艇或水雷的目标识别磁性探测能力，显著地提升水下作战能力；第三，可穿戴式的脑磁探测设备将有可能安装在士兵头盔中，远程实时反馈作战人员生理状态和指导作战，及时反馈前线作战人员情报汇报。

5、趋势 2：经典磁测量传感器逐步“量子化”一些基于经典物理技术的传感器正在逐渐过渡为量子传感器。这一趋势发展的原因一方面是量子传感器基于对量子的操纵，测量精度可突破经典极限；另一方面，量子系统赋予了量子传感器更好的稳定性，因其不受制造差异、缺陷、杂质或老化的影响，这使得它们更适用于精密测量。量子磁力计技术是经典传感器走向量子化的先锋，目前，商业化较为成熟的产品有质子磁力计、欧弗豪泽磁力计、光泵磁力计、SQUID磁力计；正在进入商业化的产品有SERF磁力计、金刚石NV色心磁力计。经典传感器向量子传感器发展的过程中也将推动社会诸多领域的发展。例如，卫星上使用的磁力计要求性能稳定、工作时间长，量子磁力

6、计刚好符合这一特性；高端医疗设备的采购成本和运营维护成本降低，有助于更广泛的应用从而普惠大众；新型快速精准检测器材的应用，可提升诊断效率，甚至在COVID-19时代或未来其他疫情下，极大地为社会带来便利；基于量子磁力计的电池缺陷检测技术有望短期能实施落地，维护人们的生命财产安全；高灵敏度的磁成像显微镜能推动基础科研发展。v趋势 3：SERF 技术将为下一代脑磁图仪器赋能当前，医院使用的脑部与心脏诊断技术脑磁图和心磁图绝大多数是利用SQUID 技术获得磁场数据，但 SQUID 设备占地面积大、装置复杂、价格昂贵、运行环境苛刻（需液氦制冷、需磁屏蔽）等问题限制其大范围应用，广泛大众无法受益于这项高