量子精密测量系列报告：量子磁力计报告

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。 商业化 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。 应用领域 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。 弱磁测量 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。 技术路径 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 本期报告关键词 iii 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。 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。 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端医疗检查。并且，氦气属稀有气体，全球资源正在消耗，尤其是脑磁图，其背后的技术亟待新的方式来摆脱既往发展限制。 就目前发展状态来看，在OPM基础上发展的SERF原子磁力计有望改变现状。SERF不仅成本低于SQUID，并且具有对低频信号敏感、室温运行、功耗低、体积小、可穿戴等优点，分辨率也与SQUID接近或超越，适合大规模推广应用，这也是OPM在基础物理和实际应用研究中得到大量关注与研究的重要原因。公开信息显示，目前，基于SERF磁力计的脑磁图设备，价格约为SQUID磁力计的二分之一，约为1500万人民币，未来大规模商业化后，脑磁图设备的价格有望从1500万人民币降至1000万左右，将有更多的医疗机构有能力采购，相关的诊断费用将大大降低。 趋势4：量子磁力计应用前景广阔，金刚石NV色心磁力计与原子磁力计具有巨大潜力 基于量子自旋技术的金刚石NV色心磁力计与原子磁力计是近些年最有望商业化的量子传感器，适用行业和应用场景也较为多样化。目前，量子磁力计相对成熟的应用领域为生物医疗、物理科研和地磁勘探。在医疗领域，基于SERF磁力计的新一代脑磁图和心磁图在实验演示方面已经验证了可行性，短期内可实现商业化，有望替代SQUID市场份额，或打开新的小型化可穿戴弱磁测量市场。此外，SERF原子磁力计还能解决锂电池品质检测与分级等，CPT与NOMR技术的研发也让人期待原子磁力计实现更多落地应用。 在物理科研、地磁导航、军事国防、工业检测等应用领域，目前主要产品为质子磁力计等早期量子磁力计。短期内，金刚石NV色心磁力计可能会成为科学研究、无损探伤方面的主要量子磁力计，因其生物相容性好，空间识别能力强，是目前各学术团队、各国家提及频次高、受关注度高、发展较快的技术。金刚石NV色心磁力计尚未实现物理上的极限，诸多团队正为之努力，它有望成为新一代量子磁力计，并满足研究单个细胞、蛋白质、DNA或进行单分子识别、单原 子核磁共振等等新兴科研需求。 趋势5：多国发布政策支持量子磁力计研发，相关研究机构开展布局 美国、英国、德国、法国、中国、澳大利亚等国均公开了量子磁力计相关的研究计划和项目。其中，在量子传感器领域的磁测量相关研究的固态量子传感器 （金刚石NV色心磁力计）与光泵碱磁力计（OPM）被提出是重点研究发展方向。美国最新发布的《将量子传感器付诸实践》（BringingQuantumSensorstoFruition）中，重点提出了光学磁力计与NV色心磁力计的研究进展与应用前景，举例说明了其巨大的应用价值与潜力。 此外，还有其他国家高校开展了相关基础研究布局。例如，日本东京工业大学展开固态量子传感器在MEG领域中的应用；中国北京航空航天大学大科学装置研究院开展了基于原子自旋SERF效应、基于金刚石色心等量子精密测量技术的研究。当前有很多处在不同研发阶段的量子传感器，多国均在统一协调，缩短产品推向市场的进程，并加快技术转让，同时也不断加强本国在各自领域的领导地位。在尽可能减少对性能影响的情况下，小型化、紧凑化、降低成本是各大中上游供应商的重点追求目标。 目录 前言i 本期报告关键词ii 量子磁力计发展趋势预判iii 第一章量子磁力计技术简介1 一、量子磁力计的基本介绍1 二、主要技术路径2 1、核子旋进磁力计2 2、超导量子干涉器件磁力计3 3、原子磁力计3 4、金刚石氮空位色心磁力计6 三、小结8 第二章量子磁力计应用10 一、磁测量技术及其应用10 二、量子磁力计应用领域11 1、生物医学11 2、工业检测13 3、物理科研15 4、地磁导航16 5、军事国防17 三、小结18 第三章量子磁力计研究主要参与国的研究概况20 第四章量子磁力计市场23 一、产业链分析23 二、中标信息24 三、主要供应商25 四、投融资情况28 五、市场规模预测30 附录35 附录1光泵磁力计技术路径的研究历程35 附录2SERF原子磁力计基于不同碱金属原子的加热温度的真实测灵敏度35 附录3非线性磁光效应磁力计技术的研究进展36 附录4基于系综NV色心的磁测量技术的研究进展36 附录5原子磁力计测量得到的不同特征生物磁及强度37 声明38 关于我们39 表目录 表1SQUID磁力计信息整理3 表2光泵磁力计基本原理4 表3脑磁图SQUID磁力计与SERF原子磁力计对比5 表4量子磁力计主要技术路径对比9 表5脑磁图与心磁图的相关信息对比11 表6量子磁力计各应用领域现状及未来发展趋势19 表7量子磁力计研究主要参与国及研发概况20 表8量子磁力计主要研究机构21 表9中国脑磁图中标信息25 表10中国量子磁力计中标信息25 表11量子磁力计主要公司介绍26 表12量子磁力计公司投融资情况28 图目录 图1磁力计的主要发展历程1 图2量子磁力计主要技术路径2 图3铯光泵地面磁力计及其使用示例5 图4一种用于生命科学领域的金刚石氮空位色心磁力计原型7 图5不同磁测量应用对磁力计灵敏度以及可探测频率范围的要求10 图6MEG通过测量神经电流产生的磁信号生成的实时图11 图7fMCG测量装置与MCG胎儿信号识别示意图12 图8漏磁现象的简单示意图13 图9磁力计传感器位于螺线管上方的超低磁场区域14 图10CPI开发用于彻底改变生产线质量评估和电池分级的传感器14 图11超导岩石磁力计图16 图12CHAMP卫星及仪器图示16 图13装载高精度光泵磁力计的设备及其地磁测绘图17 图14量子磁力计产业生态概览23 图15量子磁力计全球市场规模预测30 图16量子磁力计全球各区域市场份额31 图17量子磁力计全球各行业市场份额32 x 第一章 量子磁力计技术简介 一、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、光子盒量子研究院整理 1https://iqe.pku.edu.cn/dht/lzgxylzxx/yjfx/lzcly/index.htm 2谢一进.(2020).基于金刚石氮-空位色心系综的磁测量方法研究[D].中国科学技术大学. 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