引言
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。
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目录
第一章量子磁力计技术简介
1.1量子磁力计的基本介绍
1.2主要技术路径
小结
第二章量子磁力计应用
2.1磁测量技术及其应用
2.2量子磁力计应用领域
小结
第三章量子磁力计研究主要参与国情况
第四章量子磁力计市场
4.1.产业链分析
4.2.中标信息
4.3.主要供应商
4.4.投融资情况
4.5.市场规模预测
一、量子磁力计技术简介
1.1量子磁力计的基本介绍
量子磁力计（Quantummagnetometer）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。
图1磁力计的主要发展历程
来源：Science、工程地球物理学报、中国学位论文全文数据库
1.2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[3]。
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。
图2量子磁力计主要技术路径
注1：灰色圆圈代表该技术路径截止发稿日暂未发现商业化案例，待研发。
注2：OPM为光泵磁力计的英文缩写，但也可指基于光泵浦技术的原子磁力计。市场上高灵敏的光泵原子磁力计OPM主要基于SERF技术路径，SERF技术路径可以理解为OPM技术的改良。例如，“年普林斯顿大学研究组发现了基于原子无自旋交换弛豫（SERF）的全新物理学现象，并基于此建造了可进行fT级别灵敏度测量的光泵原子磁力计（OPM）系统[4]”中的OPM系统其实主要基于SERF技术路径。
来源：光子盒量子科学研究院整理
1.2.1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-PrecessionMagnetometer）有三种：质子磁力计、欧弗豪泽效应质子磁力计（Overhausereffectprotonmagnetometer，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]。
1.2.2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。
表1SQUID磁力计信息整理
来源：光子盒量子科学研究院整理
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1fT/Hz1/2[7]。
1.2.3原子磁力计
原子磁力计（AtomicMagnetometer）又称全光学磁力仪（AllOpticalAtomicMagnetometer）[8]，其包含多种不同技术路径的磁力计。下文将介绍的主要技术路径[9]有基于光学-射频双共振现象的光泵磁力计（OPM）、测量低频弱磁场的无自旋交换弛豫（SERF）、非线性磁光旋转（NMOR）磁力计、相干布局囚禁磁力计（CPT）磁力计等。
光泵磁力计
光泵磁力计（Opticalpumpingmagnetometer，OPM）又称电子自旋共振磁力仪。光泵磁力计具有无零点漂移，响应快速等优点。光泵磁力计适合在大型平台搭载，目前是航空磁测量最常用的磁力计，用来进行地磁测绘。
表2光泵磁力计基本原理
来源：光子盒量子科学研究院整理
OPM命名根据其工作原理的光泵浦效应，由于磁场信息是通过光信号表现出来，所以原子磁力计又可称为光学磁力计。因为其作用对象主要为惰性气体原子，所以OPM是原子磁力计。SERF、NMOR等基于光泵浦技术的磁力计，它们也是广义的光泵磁力计，也可以称为OPM[10]。
图3铯光泵地面磁力计及其使用示例
来源：LAUREL-Geophysics产品介绍[11]
无自旋交换弛豫磁力计
无自旋交换弛豫（Spin-exchangerelaxationfree，SERF）磁力计是一种运行在SERF态下的新型碱金属原子磁力计，通常需要较高的温度来保证高饱和蒸气密度以实现SERF态，以及尽可能小的温度梯度来使原子极化更为均匀。SERF磁力计灵敏度不受自旋交换弛豫的影响，并且具有非低温操作、易于小型化、高空间分辨率等优点，是目前探测灵敏度最高的磁力计，能达到0.54fT/Hz1/2[12]。
表3脑磁图SQUID磁力计与SERF原子磁力计对比
来源：光子盒量子科学研究院整理[13]
SERF原子磁力计在实验室环境的的研究已较为成熟，近几年来主要转向针对于应用方向的研究，有潜力成为新一代心磁图、脑磁图。目前，SERF原子磁力计的灵敏度尚未达到极限，小型化SERF原子磁力计的灵敏度仍有提升空间。其次，SERF原子磁力计的成本还有降低空间，以便于更好地进行脑科学等相关应用的研究[14]。
非线性磁光效应磁力计
非线性磁光旋转（Nonlinearmagneto-opticalrotation，NMOR）磁力计利用非线性磁光旋转效应实现磁场测量，优点是技术简单、高精度、高动态范围。典型的NMOR的工作条件：气室体积较小，小于10cm3，气室温度一般为室温或轻微加热，一般低于60℃[15]。NMOR适合研究近零场磁力计，并且使得研究动态范围较广的超灵敏磁力计成为了可能，包括动态范围涵盖地磁场在内的磁场。
相干布居囚禁磁力计
相干布居囚禁（coherentpopulationtrapping，CPT）是一种量子光学现象，与OPM相比，CPT磁力计的一个突出特点是利用全光学共振，其磁探头全部由光学元件构成，不需要射频线圈，这就使其探头部分可以做得很小，从而能够实现更高的空间分辨率；同时，也不存在射频线圈产生额外磁场噪声的问题，使CPT磁力计对外磁场的测量更加准确。
科研人员利用相干布居囚禁（CPT）磁力计研究MCG，但CPT磁力计的探测灵敏度在pT／Hz1/2水平，因此在生物磁应用范围有限。科研人员认为其磁场测量的极限分辨能力可达0.1fT／Hz1/2水平，要进一步提高CPT磁力计的磁场探测灵敏度，需要在提高CPT信号幅度和压窄信号线宽等方面做进一步的工作。
1.2.4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（diamondnitrogen-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