中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室與中國科學(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現(xiàn)全方向矢量測量的新型深海量子磁力儀，并在深海環(huán)境中成功展開實驗驗證。

       該設(shè)備搭載于“深海勇士”號載人潛水器，在我國南海海馬冷泉海域深潛至1400米深度，首次成功開展了一系列基于深海磁場測量的應(yīng)用實驗。這一工作標(biāo)志著固態(tài)自旋量子精密測量技術(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)勢在于其精準(zhǔn)的矢量測量能力和對極端環(huán)境的適應(yīng)性。它基于金剛石晶體中的氮空位（NV）中心，這是一種特殊的點缺陷結(jié)構(gòu)，具有獨特的量子特性。在磁場檢測方面，NV中心能夠通過熒光信號變化精確感知磁場強度和方向，即便在高溫、高壓、強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。

       02、深海實驗：從理論到實踐的關(guān)鍵一步

       該團隊將這一量子磁力儀安裝在 “深海勇士” 號載人潛水器上，進(jìn)行了深度約為 1300米的南中國海海底實驗。在實驗過程中，磁力儀成功實現(xiàn)了對地球磁場的動態(tài)矢量測量。它在潛水器的航行過程中，實時監(jiān)測磁場變化，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸回控制中心。這些數(shù)據(jù)不僅與國際地磁場參考模型（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)時的磁場變化，充分展示了其全矢量測量能力和高動態(tài)范圍。

       03、應(yīng)用成果展示：解鎖深海導(dǎo)航新可能

       3.1 實時磁場監(jiān)測與電磁干擾檢測

       在深海環(huán)境中，電磁干擾是一個不容忽視的問題。該磁力儀在潛水器推進(jìn)系統(tǒng)開啟和關(guān)閉時，分別測得 11.4 nT/√Hz 和 2.0 nT/√Hz 的磁場噪聲水平，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 磁力羅盤功能驗證

       在潛水器以最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行 1080 度旋轉(zhuǎn)實驗時，磁力儀與潛水器自帶磁力羅盤的航向角測量結(jié)果對比顯示，兩者誤差始終保持在 5 度以內(nèi)。這表明磁力儀具備穩(wěn)定的動態(tài)磁場測量能力，可作為高精度磁力羅盤用于深海導(dǎo)航。

       3.3 融合導(dǎo)航實驗

       通過將磁力儀與慣性測量單元（IMU）和超短基線（USBL）定位系統(tǒng)相結(jié)合，研究團隊構(gòu)建了一套融合導(dǎo)航系統(tǒng)。實驗中，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，目前短時間離線導(dǎo)航的實時定位精度約為 20 米，但這一實驗為未來深海長時間離線導(dǎo)航提供了新的思路和技術(shù)基礎(chǔ)。

       04、未來展望：開啟深海探測新篇章

       4.1 性能提升與小型化發(fā)展

目前，研究團隊計劃進(jìn)一步提升磁力儀的靈敏度，降低噪聲水平，同時朝著芯片級小型化方向發(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，如小型水下機器人、潛標(biāo)等，為深海探測提供更靈活、高效的磁力測量工具。

       4.2 極端環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)化

       針對深海探測中面臨的極端高壓等環(huán)境挑戰(zhàn)，團隊正在探索采用抗壓軟材料封裝技術(shù)來保護(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，實現(xiàn)磁力儀在深海的原位長期穩(wěn)定探測。

       4.3 多參數(shù)測量拓展

       金剛石量子磁力儀不僅可以測量磁場，還具備同時測量溫度、壓力等多種物理量的潛力。未來，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、海洋物理場探測等領(lǐng)域，為全面理解深海環(huán)境提供更豐富的信息。

       05、結(jié)語

       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)在深海探測領(lǐng)域的重大突破，其精準(zhǔn)測量能力為深?？茖W(xué)研究和資源開發(fā)帶來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)揮越來越重要的作用，助力我們揭開更多深海奧秘，開啟深海探測的新篇章。讓我們共同期待這一領(lǐng)域更多的創(chuàng)新成果，為人類探索海洋貢獻(xiàn)智慧和力量。