中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所、浙江大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，研制了一種基于單金剛石敏感單元實(shí)現(xiàn)全方向矢量測(cè)量的新型深海量子磁力儀，并在深海環(huán)境中成功展開(kāi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

       該設(shè)備搭載于“深海勇士”號(hào)載人潛水器，在我國(guó)南海海馬冷泉海域深潛至1400米深度，首次成功開(kāi)展了一系列基于深海磁場(chǎng)測(cè)量的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。這一工作標(biāo)志著固態(tài)自旋量子精密測(cè)量技術(shù)完成了向海洋工程應(yīng)用邁進(jìn)的里程碑進(jìn)展，為其在海洋傳感領(lǐng)域的未來(lái)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

       01、金剛石量子矢量磁力儀：為何脫穎而出？

       金剛石量子矢量磁力儀的核心優(yōu)勢(shì)在于其精準(zhǔn)的矢量測(cè)量能力和對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)性。它基于金剛石晶體中的氮空位（NV）中心，這是一種特殊的點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的量子特性。在磁場(chǎng)檢測(cè)方面，NV中心能夠通過(guò)熒光信號(hào)變化精確感知磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，即便在高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾等極端條件下，也能保持穩(wěn)定的性能，這使得它在深海應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。

       02、深海實(shí)驗(yàn)：從理論到實(shí)踐的關(guān)鍵一步

       該團(tuán)隊(duì)將這一量子磁力儀安裝在 “深海勇士” 號(hào)載人潛水器上，進(jìn)行了深度約為 1300米的南中國(guó)海海底實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，磁力儀成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)矢量測(cè)量。它在潛水器的航行過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)變化，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸回控制中心。這些數(shù)據(jù)不僅與國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型（IGRF）高度一致，還成功記錄了潛水器在復(fù)雜地磁環(huán)境下進(jìn)行 1080 度旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁場(chǎng)變化，充分展示了其全矢量測(cè)量能力和高動(dòng)態(tài)范圍。

       03、應(yīng)用成果展示：解鎖深海導(dǎo)航新可能

       3.1 實(shí)時(shí)磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)與電磁干擾檢測(cè)

       在深海環(huán)境中，電磁干擾是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。該磁力儀在潛水器推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，分別測(cè)得 11.4 nT/√Hz 和 2.0 nT/√Hz 的磁場(chǎng)噪聲水平，為深海設(shè)備的電磁兼容性研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

       3.2 磁力羅盤(pán)功能驗(yàn)證

       在潛水器以最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行 1080 度旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，磁力儀與潛水器自帶磁力羅盤(pán)的航向角測(cè)量結(jié)果對(duì)比顯示，兩者誤差始終保持在 5 度以?xún)?nèi)。這表明磁力儀具備穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量能力，可作為高精度磁力羅盤(pán)用于深海導(dǎo)航。

       3.3 融合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)

       通過(guò)將磁力儀與慣性測(cè)量單元（IMU）和超短基線（USBL）定位系統(tǒng)相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套融合導(dǎo)航系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中，磁力儀為系統(tǒng)提供了高精度的地磁姿態(tài)信息，使導(dǎo)航結(jié)果的準(zhǔn)確性顯著提升。盡管由于IMU 系統(tǒng)的傳感器漂移等因素，目前短時(shí)間離線導(dǎo)航的實(shí)時(shí)定位精度約為 20 米，但這一實(shí)驗(yàn)為未來(lái)深海長(zhǎng)時(shí)間離線導(dǎo)航提供了新的思路和技術(shù)基礎(chǔ)。

       04、未來(lái)展望：開(kāi)啟深海探測(cè)新篇章

       4.1 性能提升與小型化發(fā)展

目前，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步提升磁力儀的靈敏度，降低噪聲水平，同時(shí)朝著芯片級(jí)小型化方向發(fā)展。這將大幅提高磁力儀的便攜性和可集成性，使其能夠更廣泛地應(yīng)用于各種水下平臺(tái)，如小型水下機(jī)器人、潛標(biāo)等，為深海探測(cè)提供更靈活、高效的磁力測(cè)量工具。

       4.2 極端環(huán)境適應(yīng)性?xún)?yōu)化

       針對(duì)深海探測(cè)中面臨的極端高壓等環(huán)境挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)正在探索采用抗壓軟材料封裝技術(shù)來(lái)保護(hù)輔助電子設(shè)備，從而充分發(fā)揮金剛石探針的極端環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)磁力儀在深海的原位長(zhǎng)期穩(wěn)定探測(cè)。

       4.3 多參數(shù)測(cè)量拓展

       金剛石量子磁力儀不僅可以測(cè)量磁場(chǎng)，還具備同時(shí)測(cè)量溫度、壓力等多種物理量的潛力。未來(lái)，研究人員將深入挖掘這一特性，將其拓展至海底地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋物理場(chǎng)探測(cè)等領(lǐng)域，為全面理解深海環(huán)境提供更豐富的信息。

       05、結(jié)語(yǔ)

       金剛石量子矢量磁力儀的成功應(yīng)用，標(biāo)志著量子技術(shù)在深海探測(cè)領(lǐng)域的重大突破，其精準(zhǔn)測(cè)量能力為深?？茖W(xué)研究和資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)了全新的視角和手段。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，這一磁力儀必將在深海探索中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，助力我們揭開(kāi)更多深海奧秘，開(kāi)啟深海探測(cè)的新篇章。讓我們共同期待這一領(lǐng)域更多的創(chuàng)新成果，為人類(lèi)探索海洋貢獻(xiàn)智慧和力量。