赋能百业！ICV联合光子盒出品《量子磁力计报告》

光子盒研究院出品

量子磁力计（Quantum magnetometer）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。

来源：Science、工程地球物理学报、中国学位论文全文数据库、光子盒量子科学研究院整理

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。

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，“2003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-Precession Magnetometer）有三种：质子磁力计、欧弗豪泽效应质子磁力计（Overhauser effect proton magnetometer，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。

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1 fT/Hz^1/2 [7]。

1.2.3 原子磁力计

原子磁力计（Atomic Magnetometer）又称全光学磁力仪（All Optical Atomic Magnetometer）[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（Optical pumping magnetometer，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。

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]。

• 无自旋交换弛豫磁力计

无自旋交换弛豫（Spin-exchange relaxation free，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0.54 fT/Hz^1/2 [12]。

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

• 相干布居囚禁磁力计

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（diamond nitrogen-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关注。金刚石NV色心磁力计原理是单电子自旋比特的相干操纵，金刚石晶体中的NV色心作为一个量子比特的电子自旋，与外部磁场耦合，特点是无需低温冷却即可保证生物相容性和高灵敏度，被广泛应用在生物大分子和基础物理等方面的研究中。并且该材料的生物信号成像在理论上接近光学衍射极限，具有极优的空间分辨率[16]。

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[26]

磁测量技术通常围绕着两个物理量：磁场强度与磁感应强度。对于该技术来说比较重要的参数包括灵敏度、带宽、动态范围等，这些参数决定了磁测量技术的应用范围。目前，磁测量技术的应用领域包括地球物理勘探（地磁测绘及导航）、生物磁学成像（心磁图、脑磁图）、材料检测（磁异常、无损检测）以及科学研究（磁化率测量）等。常见磁测量应用领域对磁测量技术灵敏度以及探测频率范围的要求见下图：

来源：基于金刚石氮-空位色心系综的磁测量方法研究（2020，谢一进）

对于大部分磁测量应用来说，测量微弱的低频磁场信号是非常重要的，特别是1mHz到1kHz这个频率范围的磁场信号。对于地磁测绘或者磁异常这类的应用来说，通常会基于载具来进行勘探，因此信号的频率范围会受到载具移动速度的影响。而为了精确分析，通常要求这类应用中使用的磁测量系统能够分别测得纳特斯拉量级的磁场[19]。

2.2 量子磁力计应用领域

量子磁力计有诸多应用领域，本节主要针对生物医学、工业检测、物理科研、地磁导航、军事国防这五大领域展开介绍。

2.2.1 生物医学

量子磁力计在生物医学的应用宽泛，包括神经康复监测、脑科学、脑认知、脑机接口、心血管与脑疾病精准诊断、细胞原位成像等前沿应用。目前，生物磁方面的目前主要应用为脑磁图（Magneto-encephalography，MEG）与心磁图（Magneto-cardiography，MCG），因为心脏和脑部的神经传导电流较大，其周围的磁信号也相对较强。这种非侵入性方法可以对患者的预后产生积极影响，为临床医生提供评估神经系统疾病和手术治疗所需的宝贵信息。

脑磁场强度为心磁场强度的百分之一左右，有效探测难度更大并且容易受到低频干扰。对脑部磁场的探测是对神经元活动放电产生磁场的直接探测，拥有毫秒级时间分辨率，在脑疾病诊断如癫痫病灶定位、脑功能区定位、术前规划上有广泛的应用。

心磁图在未来普及率有望增加。欧美有关心磁图的临床医学研究，传统的心电图检查手段只能获取心脏电生理信号所携载的10%的病理信息，而心磁图能补充获取剩余的90%的心脏病理信息。相比于心电图来说，心磁图能够展示更多更深的心脏病理信息[20]。胎儿心磁图（fMCG）是一种新的替代产前监测方法，记录由胎儿心脏中的传导电流产生的磁场。与胎儿心电图相比，磁场的传播相对不受周围组织的干扰，这使fMCG具有更高信噪比的优势，并且可以在怀孕早期获得。此外，信号的高时间分辨率使其比胎儿超声显着更精确地确定胎儿心率参数。[21]

当前，医院主要使用的MEG与MCG的诊断方式是通过SQUID磁力计获得磁场数据，设备占地面积大、装置复杂、价格昂贵、需液氦制冷、运行维护成本高，以及探头距头皮位置较远带来的测量精准度问题，限制其大范围推广应用，并且全球氦气正在消耗殆尽，脑磁图需要原子磁力计更新迭代摆脱对氦气制冷依赖。而新一代的SERF磁力计能够实现这一目标，其具有对低频信号敏感、室温运行、功耗低、小型化、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。目前氦气的短缺也推动了相关研究发展。

未来，量子磁力计能实现对生物磁的进一步探索，在脑认知、脑科学、脑机接口方面，脑磁场成像也是为数不多可以实现高时间、空间分辨率的非侵入功能性成像手段。MEG是脑成像和人机接口的基础，在短期内，脑磁图可能会以头盔的形式，以便在受伤的情况下进行持续和远程的医疗监测和诊断。未来可能进一步完善人机接口，达成实用的非侵入性认知与机器和自主系统的通信[22]。

2.2.2 工业检测

量子磁力计在工业检测的应用主要为金属探测、材料分析、无损探伤、电池缺陷检测。量子磁力计主要特点为能够对物体或材料进行无创的磁性鉴别，从而控制材料的质量，这种检测不会改变被测材料的性状[23]，尤其是金属类的材料。当金属材料内部存在缺陷时，在缺陷处，材料的电导率会发生变化。在施加交流电后，由于电磁感应原理，缺陷处会产生磁场梯度。通过测量磁场梯度，可以确定缺陷部位与程度[24]。

来源：网络图片整理

目前，已经发现了无损检测在多个工业领域中的潜在应用，例如市场需要一种快速和敏感的电池缺陷识别诊断工具，协助固态电池技术以安全、高效的方式提供灵活的电能存储，当前随着新能源汽车普及率逐渐提高，厂商需要一种精准反应锂电池内部结构缺陷的检测方案，维护人们的生命财产安全是至关重要的，这也是目前量子磁力计主要研究发展方向。该技术需要极高的灵敏度，目前，主要解决方案为基于SQUID的磁测量与原子磁力计。其中，原子磁力计的优势主要为提供了一种低成本、便携和灵活实施电池质量控制和表征技术的可能性[25]。下图为该类诊断工具（传感器）斜视图，其使用原子磁学测量微型固态电池周围的磁场，可以发现关于电池制造缺陷、电荷状态和杂质的信息，并且它们可以提供关于电池老化过程的重要见解。

基于量子磁力计的电池缺陷检测技术可能短期能实施落地。目前，英国工艺创新中心（CPI）已经开始了量子传感器应用于工业检测的研究，该项目期间为2020年8月至2023年8月，由Innovate UK提供540万英镑。量子传感器项目旨在开发一个能够使用OPM对电池进行连续在线测试的中试系统。该系统将配备一系列OPM作为量子传感器，检测合格锂电池发出的小磁场。该技术可用于监控生产线上电池的质量，以便快速剔除故障电池并提供详细的质量保证。该项目将涉及英国制造光学加工材料供应链的开发，包括蒸汽电池生产、激光制造、光学封装、磁屏蔽、电子控制和数据处理系统。该项目的最终目标是创建一个可在试验生产线上实施的中试规模电池测试系统[27]。

图10 CPI开发用于彻底改变生产线质量评估和电池分级的传感器

2.2.3 物理科研

地球物理：地球本身具有强大的磁场，会使许多岩石和矿物产生弱磁性或被感应磁化，并在地磁场中引起扰动，称为“磁异常”。同时包含铁或钢的人造物体通常也会被高度磁化，并且在局部会引起高达数千纳特斯拉的磁异常。

量子磁力计通过精确捕捉地磁场信息的微弱变化，利用地磁观测资料得到地磁异常。具有精确测量各种地磁样品的能力，可满足利用海洋、湖泊、黄土等不同类型的地磁样品开展研究[28]。在物理学基础研究、环境、气候变化、地球动力学过程、大地构造学和磁性地层学、深空深地磁场测量等方面都有着广阔的科研和市场潜力。还可应用于石油工业的钻井定向、矿产资源勘查和地质灾害预警。

科学研究：量子磁力计能作为科学研究工具，是研究材料磁学性质的新利器，在磁畴成像、二维材料、拓扑磁结构、超导磁学、细胞成像等领域有着广泛应用。例如，金刚石NV色心磁力计通过对自旋进行量子操控与读出，可实现磁学性质的定量无损成像，能研究单个细胞、蛋白质、DNA或进行单分子识别、单原子核磁共振等。

地质勘探：量子磁力计是地球物理勘探中最有效的方法之一，并被广泛应用于地质勘探的各个阶段：寻找铁矿和其他矿物（包括碳氢化合物）、地质填图、构造研究等。高精度精密磁力测量在考古调查和工程测量中同样发挥着重要的作用。有系统地将磁力计用于勘探目的可以追溯到上个世纪初。在这些年的技术发展中，至少使用了四种类型的磁力计。在第一阶段，光机平衡磁力计使用了50多年。随后，磁通门、质子和光泵磁力计被研制出来。目前，磁勘探主要采用核进动（质子）磁力计和光泵磁力计。针对各种测量条件，地面、井下、海上和空中作业用的专用磁力计被大量生产[29]。

卫星磁测：量子磁力计也应用于空间磁测探测，卫星上使用的磁力计要求功耗小、性能稳定、工作时间长，部分量子磁力计刚好符合这一特性。土星及其最大的一颗卫星Titan的飞船Cassini-Huygens上装备有氦光泵磁力计，测量土星的磁场。阿根廷发射的磁测卫星SAC—C，装备有丹麦制造的磁通门磁力计FGM和美国制造的氦4光泵磁力计，2000年11月18日发射，寿命4年。丹麦的Oersted磁测卫星和德国的CHAMP重、磁两用卫星，都采用OVM测地磁场的标量，由法国LETI（信息技术电子实验室）设计制造。欧洲航天局（ESA）计划发射的AMPERE卫星也准备采用OVM测量地球磁场的标量。

2.2.4 地磁导航

航空磁学：进行地磁测绘，绘制出用于地磁导航的“磁异常地图”，也是地球物理研究的一部分。在大多数地表所能探测到的磁场测量中，地磁场占主导地位，地磁场场强因在地球表面的位置而异。通过绘制和分析局域地磁图像中磁场的变化和分布，能够得到当地的地质矿藏信息及人造物痕迹。

现代光泵磁力计是磁学研究的主要部分，具有高分辨率（灵敏度可达0.001 nT）和高性能（每秒可达100次测量）的特点，确保了磁场记录精度0.2-0.5 nT，使用标准空中平台时观测点之间的距离约为0.5-1m。采用差分数据平差的现代GPS导航系统可以获得亚米精度的观测点位置。而精确的标记又可大大降低航磁测量的总体误差，并可构建精度磁场图。

来源：LAUREL-Geophysics产品介绍

地磁导航：一种无源自主导航方法，磁传感器是研究地磁导航的硬件基础，是决定导航精度的关键因素，该技术基于矢量地磁场的探测。它不仅仅对磁场测量的强度有要求，也需要能够精确的测出磁场的方向。

原理依据为，不同地理位置地磁大小与方向有差别。在已知地磁分布的条件下，依据测量磁场来确定地理位置。地磁场是地球的天然参考坐标系，由此开发了用于航空、航海等场景的地磁导航技术。地磁导航技术由于其隐蔽性好、成本低和精度适中、无误差积累等优点是导航研究领域的一个热点。

2.2.5 军事国防

在军事上，磁场的高精度测量是地磁导航与反潜的基础[31] [32]。量子磁力计的军事应用主要包括军备脑磁图作战头盔、量子导航、反潜战、水下目标识别、海底测绘等。

军工装备：有望将基于量子磁力计的脑磁图技术加入作战头盔，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。

量子导航：不依赖GNSS与雷达，不受干扰，也不受电子战攻击。多年来，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）一直在绘制地球的磁异常地图，用于辅佐地磁导航[33]。量子磁力计可以帮助绘制海底环境，例如峡谷、冰山和皱底等，而无需易暴露的声纳。潜艇和其他水下航行器很可能最先采用地磁导航。利用灵敏的量子磁力计结合地球磁异常图是实现量子非GNSS导航的另一种方法[34] [35]。量子重力计的引力图也遵循类似的原理，其和量子磁力计可以协作成为潜艇量子导航的基础。

反潜战：量子磁力计可以探测、识别和分类目标潜艇、探测水雷，可增强现有的水下探测能力。磁场测量用于反潜的主要原因是潜艇中的磁性合金会在环境中产生磁异常[36]。研究人员预计，SQUID磁力计可以在探测到6公里外的潜艇，当下经典的磁异常探测器，通常安装在直升机或飞机上，其探测范围只有几百米。目前，量子磁力计多用于水上机载反潜。例如，CTF公司受加拿大国防部委托，开发了机载潜艇探测仪器[37]。公开资料显示，美国军事研究人员需要使能技术来提高原子蒸气在从机载电子战（EW）到海军反潜战（ASW）等应用中用于电场传感的性能，美国国防高级研究计划局（DARPA）与ColdQuanta签订合同，用于新技术的原子蒸气科学（SAVaNT）项目，该计划为期四年，其中蒸汽磁力计是所有器件中标量磁场灵敏度最高的设备之一，重点是在小型封装中实现基于蒸汽的准直流场矢量磁力测量[38]。20世纪60~70年代法国、加拿大和苏联先后制造了Overhauser效应航空磁力仪并投入应用于军事方面，法国反潜飞机和反潜直升机采用OVM作为MAD，OVM经久耐用，长期无须维修[39]。

量子磁力计在美国、中国、德国、法国、澳大利亚、英国等诸多国家均展开研究，以下列举六国量子磁力计相关研究项目及概况。

量子磁力计在以上国家往往有多个机构开展不同技术的量子磁力计，以下列举六国重要的研究机构及其研究内容。

图14 量子磁力计产业生态概览

产业链下游为应用方，即中游产品或技术的采购方，一般为医疗、科学研究、军事国防领域。量子磁力计目前主要应用在科学研究、地质勘探与生物医疗等领域：SQUID磁力计应用于心磁、脑磁与地磁的测量；质子磁力计、OVM磁力计和光泵磁力计主要用于地磁测量、空间勘探。量子磁力计的新技术路径金刚石NV色心磁力计、原子磁力计的研究已展开多年，前者作为科研仪器开始进入商业化，后者基于SERF技术路径的原子磁力计用于脑磁图、心磁图的商业化也进入初期。

其中，心磁图仪市场以老牌的超导技术强国为主。德国、加拿大、日本、美国、英国均有厂家提供系统解决方案。近几年中国的招投标信息显示，脑磁图设备的采购方主要为医院、大学和研究院所，上海瑞金医院、首都医科大学附属北京天坛医院、四川大学华西医院等均引进了MEGIN公司的脑磁图设备，提供癫痫诊断和癫痫灶术前定位、神经外科术前脑功能区定位、精神病和心理障碍疾病诊断、缺血性脑血管病预测和诊断、外伤后大脑功能的评估鉴定、司法鉴定和测谎。中国科学院、深圳大学等高校也引进脑磁图设备。磁力计及生命健康领域磁测量仪器设备的全球供应商有：SQUID技术——MEGIN（芬兰）、Elekta（瑞典）、Compumedics Neuroscan（澳大利亚）、CTF MEG（加拿大）、RICOH USA（美国）、苏州卡迪默克（中国）、漫迪医疗（中国）；OPM技术——QuSpin（美国）、Cerca Magnetics（英国）、FieldLine（美国）、昆迈医疗（中国）、未磁科技（中国）。

4.2 中标信息

目前，脑磁图与心磁图的商业应用以SQUID磁力计为主。SERF磁力计是下一代主要发展和应用，具有替代SQUID市场的潜力。以中国脑磁仪中标信息来看，从收集到的2019年至2021年的7次记录，6次为SQUID技术（3次为芬兰MEGIN公司供应，2次为瑞典Elekta公司供应，1次为澳大利亚Compumedics公司供应），1次为OPM技术（中国北京昆迈医疗科技有限公司供应）。

从招标、中标、引进、培训、对外开放使用这一流程看，广大患者可以收益于脑磁图技术需要3-4年左右的时间，预计新一代技术SERF原子磁力计从实验室走向大众应用的时间预估可能还有5年。

根据国家药品监督管理局网站，截至2022年6月1日，境内医疗器械（注册）的脑磁图暂无产品，注册的心磁图仪有2家公司，注册名称分别是苏州卡迪默克医疗器械有限公司和湖南未磁医疗科技有限公司；进口医疗器械（注册）的心磁图暂无产品，注册的脑磁图仪有1家公司，注册名称为迈科因（芬兰）公司Megin Oy。

4.3 主要供应商简介

本节将介绍量子磁力计的主要供应商，通过应用场景的不同，依次按照脑磁图、心磁图、弱磁/生物磁、地球物理进行下游应用划分，并对该行业的代表企业进行简要介绍，对于技术路径与细分领域的划分可详见上文量子磁力计产业生态概览图。

4.4 投融资情况

4.5 市场规模预测

本节市场规模预测数据主要来自国际机构ICV TAnk，其将量子磁力计划分为四大方面计算：生物医疗、军事国防、物理及科研、其他[40]。其中，生物医疗、军事国防、物理及科研是量子磁力计较为成熟的三个应用领域；“其他”包括已有原型机但未公开实际市场应用产品，例如，洛克希德马丁公司（Lockheed Martin）的黑冰（Dark Ice）、博世公司（BOSCH）的量子磁力仪和量子陀螺仪的演示系统。

据ICV推测，2022年量子磁力计全球市场规模约为5.5亿美元，2022-2030年复合增长率约为6.5%，预计到2030年，市场规模增长至9.1亿美元。其中，脑磁图市场有望在OPM产品优势下加快商业化进展，2022年生物医学市场份额约为1.34亿美元，复合增长率约为7.5%（2022-2030）；2022年军事国防领域，市场份额约为1.59亿美元，复合增长率约为7.1%（2022-2030）；2022年物理科研领域，占比最高（42%），市场份额约为2.31亿美元，复合增长率约为5.3%（2022-2030）；2022年其他市场份额约为0.25亿美元，复合增长率约为7.8%（2022-2030）。

ICV报告显示，从全球市场的地理区域分布来看，目前量子磁力计市场主要集中在欧洲与北美地区，总占比超过总体市场的2/3。其中，欧洲市场占比最大，约为38%，其次是北美，占比约为34%，亚太地区市场占比约为21%，量子磁力计在欧美地区技术发展更为成熟，产业化进程更快。未来，若亚太地区持续并加大对OPM、NV色心磁力计等新型量子磁力计的研发力度，将有望抢占一部分脑磁图、工业检测、物理科研市场，预计2030年亚太市场占比将扩大到约30%，北美和欧洲市场份额在2030年分别约为32%与33%，其他区域约为5%。

图17量子磁力计全球各行业市场份额

从全球各行业应用领域来看，ICV认为2022年物理科研领域的量子磁力计市场份额占比最高，约42%；其次是军事国防领域，占比约为29%；生物医学占比约为24%；其他领域约占5%。

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