精密测量作为信息获取的源头，已经历机电式、光学式两代发展。随着量子光学、原子物理学等领域的飞速发展，以及原子激光冷却（1997年）、玻色爱因斯坦凝聚（2001年）、量子光频梳（2005年）、单量设备操控（2012年）等几次诺贝尔物理学奖的推动，精密测量已经进入量子时代。量子精密测量的基本原理是利用磁、光与原子的相互作用，实现对各种物理量超高精度的测量，可大幅超越经典测量手段。2019年起代表精密测量最高水平的7个基本物理量的计量基准已经全部实现量子化。作为精密测量的重要组成部分—极弱磁场和惯性测量，也已迈向量子时代。
图5量子精密测量相关的诺贝尔奖
在极弱磁测量领域，极限指标的突破不断扩展人类对世界的认识。最初的磁通门磁强计，灵敏度为nT量级，即10-9特斯拉；光泵磁强计可达到pT量级，即10-12特斯拉；超导量子干涉磁强计可以达到fT量级，10-15特斯拉。而SERF原子自旋磁强计，灵敏度可再提高4个量级以上，进入阿特量级。这为人类认识世界提供了一种新工具，将引领极弱磁测量技术变革，带来新的科学发现和应用价值!
图6极弱磁场测量技术的发展历程
基于原子自旋效应可以实现超高灵敏的磁场与惯性测量，大幅超越现有测量手段所实现的灵敏度，使得人类可以获取新的实验数据、揭示新的自然现象、发现新的科学规律，从而获得了一种认识世界的新工具。
该方向涉及原子物理、磁、光、热、测控、结构、算法、生物医学等多学科领域，主要包含基于原子自旋SERF效应的超高灵敏磁场测量、基于原子自旋SERF效应的极弱人体磁源成像、基于原子自旋SERF效应的超高灵敏惯性测量、基于金刚石色心的量子精密测量技术四个子方向：（1）子方向1基于原子自旋SERF效应的超高灵敏磁场测量技术：主要涉及光与原子的相互作用、电子与核子的微观相互作用、激光功率及频率控制、碱金属气室制备与评估、高效磁屏蔽系统结构设计与优化、主动磁补偿线圈设计与实现、极化率及量子态等闭环操控、误差标定与补偿、微弱信号提取与处理、样机结构设计与优化、软硬件设计与实现等。（2）子方向2基于原子自旋SERF效应的极弱人体磁源成像技术：主要涉及信号处理、小型化集成、多模态信息融合技术等。（3）子方向3基于原子自旋SERF效应的超高灵敏惯性测量技术：主要涉及惯性测量系统设计及误差建模补偿方法、电路设计与数字信号处理技术等。（4）子方向4基于金刚石色心的量子精密测量技术：主要涉及固体物理、量子态操控、微波设计、微纳光学技术等。
第一阶段（2008-2012年），自筹经费自主探索。北京航空航天大学房建成教授于2007年获得国家技术发明一等奖后，于2008年开始带领一个研究小组最早在国内开展了基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量科学实验装置的探索研究，经过三年多的技术攻关，磁场测量灵敏度达到8fT/Hz1/2，并于2011年11月在国内首先实现了陀螺效应的验证，惯性测量灵敏度为10-3 o/s/Hz量级，并通过了总装惯性技术专家组的现场测试。2012年初开始联合国内优势大学和研究所共同论证国家自然科学基金委的国家重大科研仪器设备研制专项“基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量实验研究装置”，并获批于2013年开始实施。
第二阶段（2013-2018年），在国家基金委支持下，研制了指标国际领先的平台。2013年起在国家自然科学基金委重大科研仪器设备研制专项“基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量实验研究装置”（周期：2013.01-2018.12，经费：8850万元）的资助下，已成功研制出了一套基于原子自旋效应的超高灵敏极弱磁场与惯性测量实验研究系统，通过第三方测试，磁场和惯性测量灵敏度分别达到0.089fT/Hz1/2（灵敏度潜力可达aT量级）和6.8×10-8o/s/Hz1/2（灵敏度潜力可达10-9量级）。两个系统的灵敏度指标均超过此前国际公开报道美国普林斯顿大学物理系实现的最高指标（2010年磁场测量灵敏度0.16fT/Hz1/2，2013年惯性测量灵敏度2.8×10-6o/s/Hz1/2），创造新的世界纪录，成为国际关注热点。
图7北航超高灵敏量子极弱磁场和惯性测量研究基础
第三阶段（2018-2022年），在之江实验室的培育下，指标持续引领。团队目前正依托之江实验室量子传感研究中心（5年投资15亿元）建设新一代更高灵敏度的极弱磁场和惯性测量科学研究装置。在《“十三五”国家科技创新规划》中，“深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统”被设为16个“科技创新2030—重大项目”之一，“地球深部探测”也处于重大项目规划中。利用超高灵敏度的磁场测量装置可以测量火星及小卫星等采样返回物质，以及地球组深部岩石样本的极弱磁性，进行科研研究，促进人类对其它星体和地球的认识，从而服务于这两个领域的国家重大需求。团队受到了科技部、杭州滨江区政府、之江实验室等国家与地方单位支持，以重大科技成果转化和应用为牵引，继续深入开展面向极弱磁与惯性的超高灵敏测量研究，引领创新、不断攻坚克难突破测量极限，将有力推动我国量子精密测量与传感领域相关技术的加速发展。
图8未来的建设内容
1、子方向1：基于原子自旋SERF效应的超高灵敏磁场测量
在基础前沿研究领域，现有的基于磁共振信号的物质分析检测灵敏度仅达到pT量级灵敏度，国际上现有的标准谱也十分有限，难以用于其它极弱磁的复杂超级结构体系的磁性评价与结构表征。因此，极微弱磁场的化学物质磁性评价与结构表征迫切需要fT量级甚至亚fT量级的超高灵敏磁场测量仪器，服务于极弱磁的化学物质磁性评价与结构表征等基础化学物质研究，也可服务于电偶极矩测量、电荷-宇称-时间对称性破缺的验证等物理前沿领域，有望获得科学新发现。而这些测量又需要溯源到高精度的磁场计量标准，因此需要高精度的磁场测量装置。
EDM（电偶极矩）的高精度测量可通过基于原子自旋SERF效应的超高灵敏磁场测量实现，可为验证标准粒子模型与超对称模型的分歧并为CP（电荷-宇称）对称性的破缺提供实验支撑。EDM测量可解决宇宙中物质反物质差别存在的问题，验证宇宙大爆炸理论的正确性，并为宇宙起源的研究提供支撑。基于原子自旋SERF效应的超高灵敏惯性测量装置，有用于CPT（电荷-宇称-时间反演）对称破缺验证、寻找第五种力等重大基础物理学的研究。同时，可为基本粒子物理、原子分子光学等核心热点领域提供重要技术支撑，具有巨大科学价值。
图9超高灵敏极弱磁场和惯性测量科学装置对基础物理学研究的意义
在深空深地探测领域，由于物质受到不同时间、不同强度环境磁场的磁化，会表现出不同的磁性，因此可以利用超高灵敏磁场测量的手段开展物质极弱磁性的测量与分析。在深空探测中，火星及小卫星等采样返回物质的极弱磁性测试与分析，有助于人们提高对星体及其它宇宙物质演化规律的认识；在地球深部探测中，岩石样本磁性测定在岩石磁学和古地磁学等领域具有重要意义，服务于古环境、古气候变化、地球动力学过程等的研究。
图10 超高灵敏极弱磁场计量测试在我国深空探测研究中需求十分迫切
团队承担了国家自然科学基金委重大科研仪器专项“基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量实验研究装置”（经费：8850万），经过6年的研究，突破了多项关键技术，成功研制出了一套基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量实验研究装置，其中基于原子自旋SERF效应的超高灵敏磁场测量子装置，2019年经第三方测试，磁场测量灵敏度达到0.089fT/Hz1/2@30~39Hz，优于此前国际公开报道的最高指标（美国普林斯顿大学物理系2010年实现磁场测量灵敏度0.16fT/Hz1/2）。
图11基于原子自旋SERF效应的超高灵敏磁场测量研究历程
2、子方向2：基于原子自旋SERF效应的极弱人体磁源成像
在医学和脑科学领域，目前采用的基于血氧依赖水平的fMRI（功能核磁共振成像）的时间分辨率仅能达到秒级，并且只是间接反应脑活动的总体激活情况。基于生物电的成像技术，如非侵入式脑电图由于难以构建精确地容积电流传导模型，因而空间分辨率较低。而对于脑神经传导、认知活动激活模式、脑源级网络构建等极弱磁生物电生理分析，急需满足fT(10-15特斯拉)量级甚至亚fT量级采集的超高灵敏磁场测量仪器以建立高时空分辨率的成像系统，进而实现对生物体的磁源成像分析。与核磁共振检测相比，磁源成像是一种被动无损检测方式，无需对人体外加磁场，而是检测生物电流活动在自然状态下产生的极弱磁场，能够更加精确的反映生物电磁场活动，并具有更好的时间分辨率。
图12超高灵敏极弱磁场测量为神经科学和脑科学研究开辟了新途径
无论是脑科学的研究还是脑疾病的诊断，未来发展的趋势都是一个从局部到整体，从局部脑功能区扩展到涉及多个脑功能区的脑连接性与脑网络的研究过程。但目前仍然缺少有效的技术手段以精准地还原认知任务（如语言等）中各神经加工过程对应的脑功能区激活模式。这就要求具有高时间、空间分辨率的新型成像技术和工具，用于表征由相互连接的振荡活动源形成的大脑功能网络。这是脑科学研究和脑疾病诊断面临的重要挑战，但同时也是脑科学研究和脑疾病诊断发展的重大机遇。心脏的疾病诊断和中医针灸同样缺乏有效的测量工具，因此也迫切需要具有高时间、空间分辨率的新型成像技术和工具。可预见，未来基于原子自旋SERF效应的脑磁/心磁等成像装置将为科学家和医生带来的更好的研究和诊断工具。
图13脑磁心磁检测功能成像高端医疗设备在国民经济中的重要性
极弱磁成像，例如脑磁成像的优势是能够在高空间分辨率下反应大脑活动毫秒量级上变化的动态过程。利用这些信息可以精确还原大脑加工信息的整体过程，并观察信号如何随时间变化的。另外，由于低频神经磁场没有受到头骨严重干扰，因此可以准确地定位大脑特定区域的活动情况。通过配准与核磁共振大脑解剖结构图像相结合，成像技术得到在大脑在特定区域内的神经活动激活模式，从而帮助人类了解大脑的功能和疾病的介观机制。基于原子自旋SERF效应的极弱磁测量可以使空间分辨率和磁源定位精度进一步提高，达到毫米级的空间分辨率，从而为脑科学研究、脑疾病诊断研究提供有力的工具。基于原子自旋SERF效应的脑磁测量将会更快更准地检测到人体磁场，从而追踪其来源，可以确定大脑的哪些部位用于不同的心理认知过程或出现神经异常电活动。还可以确定大脑功能区之间的交互过程，从而可以构建大脑中的有向复杂网络。
在脑疾病诊断方面,目前基于结构成像的医疗设备无法对癫痫，发育性脑疾病，例如自闭症、发育障碍等；退行性脑疾病，例如阿尔兹海默病、帕金森症等；还有其他精神类疾病，如抑郁症、精神分裂症等进行有效的诊断，而基于原子自旋SERF效应的脑磁成像在这类疾病的诊断上具有优势，未来必将在这些领域发挥重要作用。在心脏疾病诊断方面，由于基于SERF原子自旋SERF效应的极弱磁心磁成像具有特异性、高灵敏、高空间分辨率、探头灵活、非接触等特点，基于SERF原子自旋SERF效应的极弱磁心磁成像未来将在心率失常类疾病的高精度心磁溯源定位、辅助制定手术预案，术后康复评估；缺血性心脏病、胎儿心磁的非接触快速诊断、心脏活力评估；胎儿心律失常、生长发育评估的早早期诊断等三个方面医学应用快速发展。在中医机理研究方面，目前中医针刺机理研究主要集中在研究针刺人体经络穴位后脑磁信号的变化，得到针刺后脑磁图的变化的合理解释，以评估穴位的特异性，得出治病机理。目前仅对少数穴位且单一穴位进行研究，未来应对穴位配比、针刺细节等多因素对在大脑的影响开展全面研究，优化针灸治疗方案。另外，除大脑外，还可以利用极弱磁成像装置测量肌磁，尝试经脉的测量。利用仪器测量人体极弱磁场，进行穴位、经络机理及中医“心主神明”、整体认知、干预归经等中医生理及干预效应测量与评估。
北航已经搭建出可穿戴式的脑磁图研究装置并实现了基于32通道可穿戴式SERF脑磁测量的数据采集及定源处理。同时利用团队研发的原子磁强计搭建了双通道脑磁测试装置，实现了脑磁信号的精确采集。与首都医科大学附属天坛医院合作开展多项临床实验。听觉定位实验显示该时域响应同目前成熟的脑电测试结果一致，可以验证脑磁图设备的有效性，定位精度已超过已发表的国内外研究结果。目前也已完成视觉皮层定位实验，后期将开展情绪的深部核团的脑磁信号探测。与首都医科大学附属北京儿童医院开展针对OSAS儿童心与脑系统并发症的超高灵敏磁测量的研究。
近年来，房建成院士团队在极弱磁测量方面的研究基础，从2014年开始进行基于SERF效应的小型化原子磁强计的研制，在2016年实现了体积28×13.9×9cm3，磁场测量灵敏度8.6fT/Hz1/2的原理样机。随后，面向脑磁/心磁测量的需求继续深入开展研究，2019年的研制出的原理样机体积1.8×3.15×10cm3，灵敏度30fT/Hz1/2，同等体积下与国外最高水平的原子磁强计灵敏度相当。并计划通过进行进一步关键技术的攻关，在探头灵敏度和探头尺寸上达到国际领先平。为基于原子自旋SERF效应的极弱磁成像装置的研制打下坚实的基础。
图14北航小型化SERF原子磁强计研究历程
3、子方向3：基于原子自旋SERF效应的超高灵敏惯性测量
在国家安全领域，发展超高精度惯性导航技术，进一步提高运动载体长时间高精度导航的精度，是世界各军事强国迫切追求的目标，超高精度的陀螺仪已经成为提高各国未来设备备能力的核心关键之一。现有的转子陀螺仪和光学陀螺仪精度提高比较缓慢，难以满足未来超高精度惯性导航要求，亟需探索新原理的原子自旋陀螺仪技术，实现超高精度惯性测量。另一方面，高精度陀螺仪的精确标校是其使用的前提和基础，因此迫切需要高精度惯性计量基准和高效准确校准装置。
在超高灵敏原子自旋惯性测量方面，北京航空航天大学2008年开展并于2010年5月在国内首次实现原子自旋SERF态，原子自旋的线宽达到1Hz量级。2011年底实现了核自旋对外界微弱磁场的自补偿，研制了国内首套超高灵敏惯性测量装置，达到4×10-5 o/s/Hz1/2惯性测量灵敏度指标。于2016年6月实现惯性测量灵敏度1.2×10-6 o/s/Hz1/2，为当时世界最高指标（美国普林斯顿大学物理系2013年实现惯性测量灵敏度2.8×10-6o/s/Hz1/2）。随后突破高压气室、新型低噪声磁屏蔽等新技术，并于2019年初实现了惯性测量灵敏度6.8×10-8 o/s/Hz1/2的惯性测量指标，为目前国际报道的最高技术指标，为高精度长航时导航提供了重要支撑。
图15基于原子自旋SERF效应的超高灵敏惯性测量研究历程
基于超高灵敏惯性测量技术，研制出原子自旋陀螺原理样机，有望应用于深海探测等领域，实现高精度惯性导航系统的更新换代，对军事与民用两方面均有重要意义。
另一方面惯性测量器件广泛应用于国民应用导航系统中，精确标校是陀螺仪高效使用的前提和基础。因此迫切需要寻找高精度惯性与极弱磁计量基准和高效、准确的校准方法。基于原子自旋SERF效应的科学装置可以实现超高灵敏测量指标，在计量基准领域具有巨大科学与实用价值。已经开展面向航空等领域的惯性计量基准研究。
4、子方向4：基于金刚石色心的量子精密测量
在基于金刚石色心的量子精密测量方面，紧跟国际最新思想，在美国加州大学伯克利分校于2012年11月首次提出基于金刚石NV－色心进行惯性测量构想1个月后，开始了此基础上的理论与实验研究，研究工作分析了NV－色心的惯性测量实现方法与NV－色心的弛豫性能，突破了高浓度NV－色心系综样品的制备、全晶向NV－色心系综同步操控、高效荧光收集等关键技术，有力支撑了金刚石色心量子精密测量平台指标的实现。
图16结构限域介质材料与内嵌原子操控惯性测量研究历程
基于金刚石色心量子精密测量的研究，是国际上基于固体材料实现惯性角速度测量概念的首次提出，相关研究达世界领先水平。在NV－色心系综惯性测量方面，首次实现了全晶向NV－色心系综的同步操控，并发展了基于NV－色心系综的矢量传感技术，为基于NV－色心系综的微小型高精度量子传感器的实现奠定了基础。
