量子磁力仪：揭开超高灵敏度背后的量子奥秘

以下文章来源于量感局，作者量感局

量子磁传感器是一种利用量子力学原理进行磁场测量的高精度设备。与传统的经典磁场传感器不同，量子磁传感器通过操控微观粒子的量子态（例如原子、电子的自旋、光子等），利用量子特性如量子叠加、量子纠缠和量子相干性等，提高磁场测量的灵敏度和准确度。如何区分“量子磁传感器“与”经典磁传感器“？如何准确评估”量子磁传感器“的极限探测能力？这两个问题的解决不仅对量子磁传感的理论研究具有重要意义，也对优化磁传感器性能和推动其实际应用发展至关重要。

近日，北京大学郭弘教授团队在《国家科学评论》（National Science Review）期刊上发表题为“Sensitivity of Quantum Magnetic Sensing”（量子磁传感的灵敏度）的Perspective论文，围绕磁传感器极限灵敏度评估方法展开讨论，对上述两个关键问题进行了深入分析。

图：量子磁力仪的三个灵敏度极限及其基本约束

来源：《Sensitivity of Quantum Magnetic Sensing》

量子磁力仪作为一种利用微粒子量子特性的传感器，正逐渐成为磁场测量领域的重要工具。与传统的经典磁场传感器相比，量子磁力仪凭借其超高灵敏度和精准性，展现出在基础物理、生物医学诊断、遥感等多个领域的巨大潜力。我们将深入探讨量子磁力仪的基本原理、工作机制、应用领域及其面临的挑战。

量子磁力仪的基本原理与超高灵敏度

量子磁力仪基于微观粒子的量子特性进行磁场测量。这些量子特性包括粒子的离散性以及量子相干性（如量子纠缠），使得量子磁力仪能够实现远超经典传感器的灵敏度。经典的磁场传感器通常通过探测磁场对传感器材料的影响来测量磁场强度，但这种方法受限于材料的性质和传感器的精度。而量子磁力仪则通过控制微观粒子（如原子、分子或电子）的量子态，能够在更细微的尺度上探测磁场的变化，从而实现超高灵敏度。

量子磁力仪的灵敏度高得惊人，目前最灵敏的量子磁力仪已能够测量到fT/（Hz）^1/2（即十亿分之一的地磁场强度）级别的磁场，这一灵敏度是传统磁传感器无法达到的。因此，量子磁力仪在许多领域都有着广泛的应用，特别是在那些要求极高灵敏度的科学研究中，如物理学中的基础实验、生物医学中的非侵入性诊断、以及环境监测中的磁场探测等。

量子磁力仪的两大类型

目前，量子磁力仪主要有两种典型的实现方式：超导量子干涉仪（SQUID）和原子磁力计（AM）。这两种量子磁力仪各自采用不同的物理原理和技术手段来实现磁场的测量。

1.超导量子干涉仪（SQUID）

超导量子干涉仪（SQUID）是一种基于超导材料的量子磁力仪，它利用含有约瑟夫森结的超导环路来探测磁场。SQUID的工作原理是基于量子干涉效应，即量子波函数在环路中相干叠加。当外部磁场变化时，SQUID内部的超导电流会发生变化，这一变化可以用来推断外部磁场的强度。SQUID的优势在于其极高的灵敏度，特别适用于低温环境中的磁场测量。

图：SQUID磁力计信息

来源：光子盒量子研究院整理

2.原子磁力计（AM）

原子磁力计（AM）则通过利用原子中的自旋来实现磁场的感知。原子磁力计的工作原理是基于量子态的操控，特别是原子中的电子自旋与外部磁场之间的相互作用。原子磁力计中常用的原子种类包括碱金属原子、氦-4原子、以及水中的原子核（质子、中子）等。通过精确控制这些原子的量子态，可以实现对磁场的高精度测量。

量子磁力仪的灵敏度评估

量子磁力仪的一个关键性能指标是其灵敏度，即能够检测的最小磁场变化。在理论上，量子磁力仪的灵敏度由量子噪声和技术噪声共同决定。在理想情况下，如果技术噪声能够得到良好的控制，原子磁力计的灵敏度主要受量子噪声的影响。量子噪声的来源主要包括两种类型：自旋投影噪声（SPN）和光子散粒噪声（PSN）。这两种噪声都与量子态的操控和测量过程密切相关。

自旋投影噪声（SPN）是指由原子自旋测量引起的噪声，它通常用于评估原子磁力计的最终灵敏度。SPN的计算公式为：δBSPN≈1/（γ（NTτ）^1/2），其中，其中，γ是旋磁比，N是原子数目，T是总测量时间，τ是单次测量的持续时间。这一公式的推导假设原子之间是独立的，即没有相互关联。

然而，SPN和PSN存在一定的局限性，尤其在处理具有关联的原子集群时，无法充分描述噪声的特性。因此，量子相位估计（QPE）被提出作为一种更通用的分析方法。QPE通过量子费舍尔信息（QFI）来评估磁力仪的灵敏度，最终极限由量子克拉美罗界限（QCRB）给出。QCRB为量子传感器提供了一个理论上的灵敏度极限，其灵敏度与粒子数目成反比，即达到海森堡极限（HL），灵敏度为δBHL∝1/N。

量子磁力仪的极限与挑战

尽管量子磁力仪在灵敏度和精确度上具有巨大的优势，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先是灵敏度的极限问题。尽管目前的量子磁力仪已经能够达到非常高的灵敏度，但是否存在根本的灵敏度极限仍然是一个重要问题。根据现有的研究，量子磁力仪的灵敏度是受到不确定性原理、统计估计理论和热力学等因素的限制的，因此其灵敏度极限可能是由这些基本原则所决定的。

另一个挑战是如何在不同的应用场景中实现最优的量子磁力仪设计。量子磁力仪的设计和优化涉及多个因素，包括量子态的操控、噪声控制、以及量子测量的效率等。为了最大化量子磁力仪的性能，需要针对不同的应用需求选择合适的技术方案，并在实际测量过程中进行有效的噪声抑制和精度优化。

量子磁力仪：探索未知与守护健康的未来之钥

量子磁力仪的未来应用前景十分广阔。在基础物理学领域，量子磁力仪将有助于揭示自然界中的微观现象，如粒子物理学中的新粒子探测、量子引力实验等。在生物医学领域，量子磁力仪将为非侵入性诊断提供新的工具，例如，通过磁共振成像（MRI）和生物磁场测量，量子磁力仪能够帮助医生更精确地诊断疾病，尤其是在早期肿瘤检测和脑部疾病研究中具有巨大的应用潜力。

此外，量子磁力仪还将在环境监测和地球物理勘探等领域发挥重要作用。通过在大范围内部署量子磁力仪，可以实时监测地球磁场的变化，从而为自然灾害预测、矿产资源勘探等提供精确的数据支持。

量子磁力仪：突破与挑战并行的未来

总而言之，量子磁力仪作为一种新兴的高精度传感器，凭借其超高灵敏度和广泛的应用前景，正在逐步改变多个领域的研究和技术格局。尽管目前在量子磁力仪的设计、优化和实际应用中仍存在一些挑战，但随着量子技术和相关设备的不断发展，量子磁力仪的性能将不断提升，未来有望在更多领域实现突破性进展。

来源链接

[1]https://news.qq.com/rain/a/20250414A03XLI00