一、中心基本情况

2018年国际计量大会宣布七个基本物理量的计量基准全面施行量子化，这标志着精密测量技术已经跨越机电式、光电式两代的发展，正式进入量子时代。量子精密测量装置与仪器代表着精度最高的一类测量手段，对前沿基础科学研究、国防建设、计量测试等领域具有重要意义，未来必将对世界科技发展走势和格局产生深远影响。

量子科学装置与仪器技术创新中心是大科学装置研究院下属的五个技术创新中心之一，中心面向世界科技前沿和国家重大战略需求，以国家重大科技基础设施和国家重大科研项目中的相关量子科学装置与仪器研制为主要任务，重点开展超高灵敏极弱磁场测量装置、超高灵敏惯性测量装置、高精度原子自旋惯性测量仪器、超高灵敏计量原子磁强计等3类7种极弱磁场和惯性测量类科学装置与仪器，以及窄线宽高性能激光器、抗弛豫碱金属气室等共性关键技术研究。所研制的科学装置与仪器指标均达到国际领先或先进水平，未来将继续挑战极弱磁场和惯性测量灵敏度纪录，助力前沿基础物理学命题的研究，支撑弱磁计量测试、高精度惯性导航领域的发展，培养量子精密测量领域高端人才。

二、组织架构与人员情况

量子科学装置与仪器技术创新中心下设5个专业技术研究所，分别为超高灵敏极弱磁场测量技术研究所、超高灵敏惯性测量技术研究所、原子自旋惯性测量仪器研究所、高性能抗弛豫碱金属气室研究所、高性能窄线宽激光器研究所。中心现有北航教师及博后16人，博士生77人，硕士生37人，大设施专职人员94人，人员搭配合理。

三、研究方向与进展

（1）超高灵敏极弱磁场测量技术研究所

本研究所挑战极弱磁场测量灵敏度纪录，面向电偶极矩测量等前沿基础物理学命题，研制基于SERF效应的超高灵敏极弱磁场测量装置，面向极弱磁计量测试、深空磁探测等国家重大需求，研制超高灵敏极弱磁场计量测试装置、原子磁强计研究装置及小型化计量原子磁强计，重点研究高性能超低噪声磁屏蔽、原子自旋系综弛豫抑制、高精度原子自旋精密极化与进动信号检测等关键技术。团队2008年起在国内率先开展相关研究，2013年起在国家自然科学基金委重大科研仪器专项支持下，成功研制出超高灵敏极弱测量装置，测量灵敏度优于国外公开报道最好指标，依托国家重大科技基础设施，2023年集成新一代超高灵敏极弱磁场测量装置，突破第一代铁氧体磁屏蔽自主研制，实现了磁噪声优于0.2fT/Hz^1/2的水平；攻克SERF态原子自旋进动机理及其信号检测技术，提出了反射式检测光方案，完成了检测光场偏振参数优化方法与噪声去耦合方法，实现检测噪声优于17nrad/Hz^1/2指标；突破宽谱激光抽运技术，激光频率噪声抑制2倍以上，极化率均匀性提高2倍，以上指标均处于国际领先水平。超高灵敏极弱磁场测量装置为EDM测量等前沿基础物理学命题提供了有效验证手段，为CP破缺提供实验数据支撑，验证高精度原子磁强计的灵敏度潜力，另外该装置通过灵敏度提高若干数量级、新维度的科研工具和手段为极端弱磁材料研发提供测试手段，支撑从0到1的科学发现。

超高灵敏极弱磁场测量装置及下一代装置示意图

（2）超高灵敏惯性测量技术研究所

本研究所挑战惯性角速度测量灵敏度纪录，面向CPT、暗物质、第五力等前沿基础物理学命题，研制基于无自旋交换弛豫效应的超高灵敏惯性测量装置，重点研究自旋系综高效极化与超极化、核自旋自补偿、微弱低频振动高效抑制等关键技术。团队2008年起在国内率先开展了基于SERF效应的惯性测量研究，2013年起在国家自然科学基金委重大科研仪器专项支持下，成功研制出基于原子自旋SERF效应的超高灵敏惯性测量装置，惯性测量灵敏度优于此前国际公开报道的最好指标；同时团队开展了暗物质和第五力测量研究取得突破性进展，引起广泛关注。未来依托国家重大科技基础设施，开展下一代惯性测量和惯性计量装置攻关，保持测量指标国际持续引领，为战略级惯性导航、基础物理学探索、高精度惯性计量等研究提供有效实验平台，引领量子精密惯性测量领域发展方向。

超高灵敏惯性测量装置及下一代装置示意图

（3）原子自旋惯性测量仪器研究所

惯性导航技术是唯一不受干扰、全自主、高精度定位导航技术，是国民经济和国防科技领域不可或缺的关键技术。陀螺仪是惯性导航系统的核心部件。本研究所面向长航时运动载体对新一代高精度惯性导航系统的急需，开展原子自旋惯性测量仪器关键技术研究，研制原子自旋惯性测量仪器实验研究装置，重点研究原子自旋系综高效极化与闭环操控、低漂移原子自旋进动信号检测、磁场-惯性解耦测量与闭环控制等关键技术。团队于2015年开始原子自旋惯性测量仪器研究，至今零偏稳定性已超过国外公开报道的最优水平。未来依托国家重大科技基础设施，开展高精度原子自旋惯性测量仪器研究装置研制，为进一步提升原子自旋惯性仪器精度和实用性提供有力支撑，服务于国家重大需求。

原子自旋陀螺实验装置示意图

（4）高性能抗弛豫碱金属气室研究所

原子气室是基于原子自旋SERF效应科学装置与仪器的敏感核心表头，原子气室性能从本质上决定了装置与仪器所能达到的灵敏度极限。本研究所根据新型高性能气室可控制备的需求，重点从原子源制备充制与检测技术、气室材料与成型技术、气室镀膜材料与镀膜技术三个方面开展研究，努力打造成国内水平最高，国际领先的高性能原子气室研发平台，满足超高灵敏极弱磁场/惯性测量装置以及高精度原子自旋惯性测量仪器、原子磁强计的应用需求。

原子气室充制平台及自主研制的碱金属气室

（5）高性能窄线宽激光器研究所

目前商用窄线宽激光器无法满足超高灵敏极弱磁场测量装置、超高灵敏惯性测量装置等3类7种科学装置与仪器的指标要求，为了解决这一难题，本研究所自主研制低噪声窄线宽半导体激光器、钛宝石激光器和光纤激光器，其中半导体激光器、TA放大器激光器及激光器稳频模块已具备产线化小批量量产能力，已完成多批次高性能半导体激光器系统交付使用，同时具有高性激光器电控技术、稳频稳功率技术研发能力，已经完成二级温控激光器技术验证及工程化样机研制，激光器高温度稳定性激光器电控系统研发；钛宝石激光器实现数瓦级大功率窄线宽激光输出，具备宽范围波长调谐能力，并初步完成工程样机研制；光纤激光器已完成光纤激光振荡器和放大器研制，并基于倍频方式实现大功率目标波长激光输出，后续将完成工程样机装配并交付使用。此外，本研究所具备自主研制激光器电流源、电压源、温控系统、稳频系统以及稳功率系统的能力，部分指标优于商用产品。未来将继续深入研究，实现高性能窄线宽激光器核心技术能力自主可控。

自研高性能窄线宽激光器及其核心模块