本文選自中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第4期
作者：林君 ，嵇艷鞠 ，趙靜 ，佟訓(xùn)乾 ，易曉峰
來(lái)源：量子地球物理深部探測(cè)技術(shù)及裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2022,24(4):156-166.
量子傳感與測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)地球深部重磁場(chǎng)精細(xì)化探測(cè)的顛覆性技術(shù)之一，已成為國(guó)際地球物理探測(cè)裝備的重點(diǎn)發(fā)展方向。量子地球物理探測(cè)技術(shù)主要是利用量子效應(yīng)和量子傳感器對(duì)磁場(chǎng)、重力場(chǎng)和地電場(chǎng)等目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)的方法技術(shù)。我國(guó)量子地球物理探測(cè)技術(shù)及裝備研發(fā)相對(duì)起步較晚，但是經(jīng)過(guò)歷代科研工作者的不懈努力，近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，促進(jìn)了我國(guó)量子地球物理深部探測(cè)技術(shù)裝備的發(fā)展，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域的技術(shù)差距。
中國(guó)工程院林君院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第4期發(fā)表《量子地球物理深部探測(cè)技術(shù)及裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究》一文。文章聚焦我國(guó)地球重磁場(chǎng)的量子高精度測(cè)量前沿技術(shù)布局，梳理了量子地球物理探測(cè)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了深部資源探測(cè)中超導(dǎo)量子電磁探測(cè)系統(tǒng)、磁矢量梯度探測(cè)系統(tǒng)和超導(dǎo)重力探測(cè)系統(tǒng)、冷原子絕對(duì)重力探測(cè)系統(tǒng)等需求，研判量子精密測(cè)量技術(shù)的國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)，剖析我國(guó)該領(lǐng)域發(fā)展面臨的科技難題、技術(shù)瓶頸和機(jī)遇挑戰(zhàn)。針對(duì)我國(guó)量子地球物理探測(cè)裝備在核心技術(shù)攻關(guān)、完全國(guó)產(chǎn)化和探測(cè)應(yīng)用等方面能力不足問(wèn)題，文章提出了新一代量子高精度地球物理深部探測(cè)裝備的發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)體系、重點(diǎn)任務(wù)、戰(zhàn)略規(guī)劃，突破超導(dǎo)量子芯片和高靈敏度傳感器等卡脖子技術(shù)瓶頸，建立我國(guó)自主可控的量子地球物理探測(cè)技術(shù)及裝備發(fā)展的協(xié)同組織模式，推動(dòng)深部探測(cè)裝備高質(zhì)量跨越式發(fā)展，為解決深部礦產(chǎn)資源探測(cè)、揭示地球深部構(gòu)造等重大問(wèn)題提供技術(shù)支撐。
一、前言
全球范圍內(nèi)的清潔能源轉(zhuǎn)型引發(fā)了大量戰(zhàn)略性礦產(chǎn)需求，我國(guó)經(jīng)濟(jì)正在由高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，仍將是世界第一大礦產(chǎn)資源消費(fèi)國(guó)。從當(dāng)前的形勢(shì)來(lái)看，我國(guó)主要戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源的勘查能力薄弱，供給生產(chǎn)增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，難以滿足清潔能源迅速增長(zhǎng)的需求，導(dǎo)致對(duì)外依存度逐年提高，礦產(chǎn)資源安全已上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源是儲(chǔ)能電池不可或缺的原材料，在未來(lái)新能源開(kāi)發(fā)利用和碳中和持續(xù)性發(fā)展中具有十分重要的作用。我國(guó)主要戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源銅、鎳礦等對(duì)外依存度都超過(guò)70%，鈷甚至高達(dá)95%。鐵礦石、銅精礦、石油等資源對(duì)外依存度已高達(dá)50%~80%，超過(guò)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全警戒線的40%。2019年鐵礦石的對(duì)外依存度為76%，銅精礦的對(duì)外依存度為84.6%；2020年鐵礦石的對(duì)外依存度為77.3%，銅精礦的對(duì)外依存度為83.3%。2030年前，隨著新一代信息技術(shù)、高端裝備制造、新基建等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鐵礦、銅礦等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)需求還將快速增長(zhǎng)、并將持續(xù)維持在高位態(tài)勢(shì)。另外，我國(guó)礦產(chǎn)資源探明儲(chǔ)量嚴(yán)重不足、礦產(chǎn)資源家底較為薄弱，人均擁有礦產(chǎn)資源與世界相比存在著明顯的差距，僅僅為美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的十分之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，地下2000 m以淺的礦產(chǎn)資源查明率僅有三分之一，遠(yuǎn)低于礦業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的60.5%~73%的平均值。近年來(lái)，我國(guó)新增查明金屬礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量多為低品位、埋藏深、覆蓋層較厚的礦床資源，金屬礦勘探地區(qū)更加復(fù)雜、遠(yuǎn)景區(qū)深度不斷加深、具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦床發(fā)現(xiàn)難度逐年加大。
量子傳感器是傳感領(lǐng)域的顛覆性變革技術(shù)，被譽(yù)為工業(yè)生產(chǎn)的倍增器、科學(xué)研究的先行官。量子地球物理探測(cè)技術(shù)主要是利用量子效應(yīng)和量子傳感器對(duì)磁場(chǎng)、重力場(chǎng)和地電場(chǎng)等目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)的方法技術(shù)。量子磁場(chǎng)傳感器是利用環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)量子本身特性的影響實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，包括超導(dǎo)量子干涉磁力儀（SQUID），金剛石氮空位色心（NV center）原子磁力計(jì)，冷原子磁力儀和銫光泵磁力儀等。量子重力傳感器在真空環(huán)境中利用激光和磁場(chǎng)捕獲、控制冷銣原子的量子態(tài)，通過(guò)測(cè)量不同能級(jí)的原子比率來(lái)實(shí)現(xiàn)重力場(chǎng)和重力梯度場(chǎng)的測(cè)量。隨著超導(dǎo)量子磁測(cè)SQUID芯片、冷原子測(cè)量絕對(duì)重力技術(shù)的快速發(fā)展以及量子重力梯度傳感器的突破，基于高精度量子地球重磁場(chǎng)傳感器的量子地球物理探測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為深部戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源、火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)、地球結(jié)構(gòu)等精細(xì)化探測(cè)的顛覆性技術(shù)之一，成為國(guó)際地球物理探測(cè)裝備的重點(diǎn)發(fā)展方向。美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)、日本、英國(guó)等國(guó)家在量子精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)起步較早，先后制定了國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃引導(dǎo)量子傳感技術(shù)研發(fā)，重點(diǎn)研究量子測(cè)量技術(shù)的傳感器、研發(fā)量子增強(qiáng)型傳感器，用于工業(yè)精度測(cè)量、地球探測(cè)、地質(zhì)和儲(chǔ)層勘探、國(guó)防技術(shù)和導(dǎo)航等領(lǐng)域，其研究水平始終站在前沿技術(shù)的制高點(diǎn)，尤其在重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)等地球物理探測(cè)方面，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累和設(shè)備迭代，技術(shù)水平相對(duì)領(lǐng)先、裝備成熟。我國(guó)量子傳感的頂層規(guī)劃仍局限于行業(yè)或特定領(lǐng)域，如量子通信、量子計(jì)算領(lǐng)域，尚缺乏明確的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略規(guī)劃，對(duì)量子測(cè)量和量子傳感的快速發(fā)展關(guān)注度不足。我國(guó)量子地球物理探測(cè)技術(shù)及裝備研發(fā)相對(duì)起步較晚，但是經(jīng)過(guò)歷代科研工作者的不懈努力，近年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，促進(jìn)了我國(guó)量子地球物理深部探測(cè)技術(shù)裝備的發(fā)展，縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域的技術(shù)差距。
本文從戰(zhàn)略角度全面調(diào)查了國(guó)內(nèi)外量子地球物理探測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀、裝備研發(fā)水平及發(fā)展趨勢(shì)，剖析了我國(guó)高精度重力場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)等領(lǐng)域探測(cè)技術(shù)與裝備發(fā)展面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，指出了我國(guó)在關(guān)鍵芯片和核心部件制備工藝、前沿性關(guān)鍵技術(shù)、高性能國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)研發(fā)等方面面臨的系列挑戰(zhàn)，明晰了我國(guó)量子地球物理探測(cè)技術(shù)及裝備的重點(diǎn)研究任務(wù)和總體發(fā)展路徑，為我國(guó)量子地球物理深部探測(cè)技術(shù)裝備發(fā)展提供新思路，為我國(guó)礦產(chǎn)資源能源可持續(xù)供給和戰(zhàn)略安全提供技術(shù)保障。
二、量子地球物理探測(cè)技術(shù)及裝備研究現(xiàn)狀
量子地球物理探測(cè)技術(shù)主要圍繞高精度觀測(cè)地球磁場(chǎng)和重力場(chǎng)，根據(jù)采集的參量類型進(jìn)行分類，可分為標(biāo)量總場(chǎng)、總場(chǎng)梯度、矢量三分量、張量梯度測(cè)量系統(tǒng)；按照搭載平臺(tái)類型進(jìn)行分類，可分為地面、航空、井中、海洋、衛(wèi)星平臺(tái)，包括地面和海洋、井中、地空超導(dǎo)量子時(shí)域電磁探測(cè)系統(tǒng)，航空超導(dǎo)量子磁矢量梯度探測(cè)系統(tǒng)，航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)，航空超導(dǎo)重力梯度系統(tǒng)，地面原子絕對(duì)重力，航空原子絕對(duì)重力系統(tǒng)，航空原子絕對(duì)重力梯度系統(tǒng)等，如圖1所示。
（一）國(guó)外研究現(xiàn)狀
1. 航空銫光泵磁總場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)
近年來(lái)，高精度銫光泵磁傳感器在航空磁測(cè)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。國(guó)外產(chǎn)品以加拿大Scintrex公司的CS-3型和美國(guó)Geometrics公司的G-824A型為代表，靈敏度分別為0.6 pT/
@1Hz和0.3pT/
＠1Hz，目前美國(guó)和加拿大均規(guī)定靈敏度優(yōu)于20pT的磁力儀對(duì)我國(guó)嚴(yán)格禁運(yùn)。在航磁總場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)方面，主流產(chǎn)品為加拿大RMS公司的AARC510數(shù)據(jù)收錄與補(bǔ)償系統(tǒng)，分辨率可達(dá)0.32pT、系統(tǒng)噪聲為0.1pT，補(bǔ)償后剩余噪聲水平為10pT（0.05~1Hz，RMS均方根值）。
2. 航空超導(dǎo)全張量磁探測(cè)系統(tǒng)
德國(guó)耶拿物理學(xué)高技術(shù)研究所（IPHT）與Supracon公司合作，研制了首套直升機(jī)吊艙式低溫超導(dǎo)航空全張量磁梯度系統(tǒng)Jessy Star，在南非進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)噪聲優(yōu)于10 pT/m
（4.5Hz帶寬，RMS均方根值）。2004年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）與中國(guó)五礦集團(tuán)有限公司合作，研制了高溫超導(dǎo)地面全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)GETMAG，系統(tǒng)噪聲為2pT/m@10Hz。美國(guó)特瑞斯坦技術(shù)公司利用高溫超導(dǎo)磁傳感器研制了航空全張量磁梯度系統(tǒng)（T877），系統(tǒng)噪聲為8pT/m/
。2020年，IPHT采用變壓器型耦合結(jié)構(gòu)、亞微米尺寸約瑟夫森結(jié)和厘米尺度拾取環(huán)等新技術(shù)，研制出新一代磁矢量梯度計(jì)，其本征噪聲為13fT/m/
。繼南非首飛實(shí)驗(yàn)后，JessyStar系統(tǒng)又陸續(xù)在各地展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。IPHT在深部礦產(chǎn)勘探中開(kāi)展了一系列應(yīng)用，包括在西班牙成功探測(cè)到HYPGEO黃鐵礦帶，在德國(guó)圖林根森林探測(cè)到地下800m的白云欖巖侵入，在芬蘭北部拉普蘭綠巖帶中部發(fā)現(xiàn)地下1200m深的鎳銅鉑礦床并準(zhǔn)確解釋了礦體分布形狀。
3. 地面和海洋超導(dǎo)電磁探測(cè)系統(tǒng)
超導(dǎo)電磁探測(cè)系統(tǒng)被列為對(duì)全球礦業(yè)貢獻(xiàn)的38項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)之一，已成為了探測(cè)深部大型金屬礦、地?zé)嵊筒氐荣Y源的較為先進(jìn)的技術(shù)手段。德國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家長(zhǎng)期致力于高溫和低溫超導(dǎo)量子傳感芯片研制，通過(guò)近30年的技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)將高、低溫超導(dǎo)量子傳感器成功用于地面電磁系統(tǒng)和井中電磁探測(cè)系統(tǒng)中，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。2007年，CSIRO研制了高溫超導(dǎo)電磁系統(tǒng)LandTEM，在近10年的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了價(jià)值超60億美元的硫化鎳礦床儲(chǔ)量以及其他類型礦床。2011年，IPHT研制了低溫亞微米級(jí)直流超導(dǎo)量子干涉器（簡(jiǎn)稱 SQUID）、亞fT量級(jí)超導(dǎo)磁傳感器，IPHT與Supracon公司合作研制了地面低溫超導(dǎo)電磁探測(cè)系統(tǒng)，低溫超導(dǎo)技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先。2013年，日本超導(dǎo)傳感技術(shù)研究協(xié)會(huì)（SUSTERA）研發(fā)了高溫DC SQUID芯片，并與原日本金屬礦業(yè)事業(yè)團(tuán)（現(xiàn)JOGMEC）合作研發(fā)了系列高溫超導(dǎo)電磁系統(tǒng)SQUITEM，高溫超導(dǎo)技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先，探測(cè)深度達(dá)地下1000~2000 m。在日本、泰國(guó)、澳大利亞、秘魯、智利等地的多金屬礦探測(cè)中得到應(yīng)用。該系統(tǒng)于2017年探測(cè)到了澳大利亞南部低阻覆蓋層厚度為150 m深的地下銅、銀、金、鉛及鋅的多金屬礦床，于2018年在泰國(guó)成功探測(cè)到地下2000 m的儲(chǔ)油層。
表1 國(guó)內(nèi)外SQUID-TEM系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比
海洋超導(dǎo)電磁探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展也較為迅猛，為深海資源探測(cè)、油氣藏等戰(zhàn)略資源的勘察開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑。2012年，德國(guó)IPHT在DESMEX項(xiàng)目中使用模塊化SQUID傳感器以及專用于海洋環(huán)境下的液氦制冷技術(shù)，研發(fā)了兩代SQUID海洋時(shí)間域系統(tǒng)，并已開(kāi)展了淺海域淺層地質(zhì)特征高分辨成像和深海域大深度探測(cè)等實(shí)際海洋勘探，實(shí)測(cè)有效探測(cè)深度達(dá)到1 km。2015年，Joe Kirschvink 提出使用金屬鎵對(duì)冷泵進(jìn)行潤(rùn)滑的技術(shù)，通過(guò)提高冷泵的致冷效率以及降低液氦的蒸發(fā)速率，解決了低溫SQUID在深海探測(cè)時(shí)因液氦快速蒸發(fā)導(dǎo)致的工作時(shí)間短和工作不穩(wěn)定的問(wèn)題。2016年，Chwala等人基于LTC SQUID系統(tǒng)對(duì)德國(guó)沿海地區(qū)波羅的海沿岸的海底磁化目標(biāo)進(jìn)行了掃描式探測(cè)，在尋找廢棄沉積物和未爆炸軍火方面取得了明顯的效果。
4. 地面和航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)
20世紀(jì)90年代，美國(guó)斯坦福大學(xué)最先開(kāi)展超導(dǎo)重力梯度儀的研究，用于引力波探測(cè)、空間重力測(cè)量等基礎(chǔ)物理研究。2002年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的Paik研究組研發(fā)了地面超導(dǎo)重力系統(tǒng)，儀器噪聲低至0.02 E/
@0.5Hz，比傳統(tǒng)梯度儀低2~3個(gè)量級(jí)。英國(guó)的ARkex、加拿大的Gedex和澳大利亞的力拓集團(tuán)均致力于航空超導(dǎo)重力梯度儀的研制工作，旨在突破旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀的分辨率極限，獲得更大深度的資源勘查能力。然而，航空超導(dǎo)重力梯度儀的研發(fā)并不順利，迄今尚無(wú)與旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀性能相當(dāng)?shù)暮娇粘瑢?dǎo)重力梯度儀的報(bào)道，說(shuō)明其實(shí)用化仍需突破一系列難度超乎尋常的技術(shù)瓶頸。
超導(dǎo)航空重力梯度系統(tǒng)作為新一代技術(shù)，是目前航空重力梯度勘探系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。國(guó)際上，美國(guó)斯坦福大學(xué)率先開(kāi)展低溫超導(dǎo)重力梯度系統(tǒng)的研制，其他研究機(jī)構(gòu)緊跟其后。目前，研發(fā)設(shè)備已經(jīng)成型或正處于試飛準(zhǔn)備階段的主要有：英國(guó)ARKeX公司研制的EGGTM航空重力梯度系統(tǒng)，加拿大Gedex公司和馬里蘭大學(xué)聯(lián)合研制的HD-AGG航空重力梯度系統(tǒng)，實(shí)際飛行測(cè)量精度達(dá)到20 E；澳大利亞的力拓集團(tuán)和西澳大學(xué)聯(lián)合研制的VK-1重力梯度儀，地面車載測(cè)量精度達(dá)到20 E。
5. 地面原子絕對(duì)重力和航空原子重力梯度探測(cè)系統(tǒng)
美國(guó)斯坦福大學(xué)朱棣文小組于20世紀(jì)90年代最早提出冷原子干涉重力儀，2001年重力測(cè)量不確定度達(dá)到3.4 μGal，2008年測(cè)量靈敏度優(yōu)化至8 μGal/√Hz。法國(guó)巴黎天文臺(tái)研究小組采用自由下落冷銣原子的方法測(cè)量重力加速度，重力測(cè)量不確定度達(dá)到4.3 μGal，測(cè)量靈敏度為8.9 μGal/
。2019年，美國(guó)加州理工學(xué)院伯克利分校研制了車載可移動(dòng)原子重力儀，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)量靈敏度為0.5mGal/
，測(cè)量總不確定度為40μGal。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）基于光鐘技術(shù)開(kāi)發(fā)出可用于地球精密測(cè)量的量子重力儀。
在量子重力梯度儀研制方面，英國(guó)伯明翰大學(xué)率先研發(fā)了量子重力儀樣機(jī)，2018年成功實(shí)現(xiàn)了量子重力梯度儀樣機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。2019年，系統(tǒng)重力場(chǎng)測(cè)量精度提升至10~99 mGal數(shù)量級(jí)，探測(cè)深度有望突破現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)倍以上。目前，英國(guó)伯明翰大學(xué)正在研發(fā)搭載在無(wú)人機(jī)上的小型化航空重力梯度儀。而在小型化原子絕對(duì)重力系統(tǒng)的研究方面，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）下屬噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）完成了冷原子干涉重力梯度系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的研制。2019年，法國(guó)ONERA小組首次將冷原子絕對(duì)重力測(cè)量系統(tǒng)搭載在飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，在重復(fù)測(cè)線和交叉測(cè)點(diǎn)上的重力值誤差為1.7~3.9 mGal。目前，原子干涉型重力梯度系統(tǒng)距離航空實(shí)用化還有較大差距。2022年，英國(guó)國(guó)家量子技術(shù)中心的伯明翰大學(xué)研究人員，成功研制了世界上第一臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室條件之外的量子重力梯度儀，在真實(shí)世界的條件下找到埋在地表下1 m的戶外隧道，并將這一事件稱為這是傳感領(lǐng)域的一個(gè)‘愛(ài)迪生時(shí)刻’，將改變社會(huì)、人類的理解和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，隨著重力感應(yīng)技術(shù)的成熟，水下導(dǎo)航和揭示地下的應(yīng)用將成為可能。
（二）我國(guó)量子地球物理探測(cè)技術(shù)及裝備研發(fā)現(xiàn)狀
我國(guó)在深部礦產(chǎn)資源探測(cè)技術(shù)裝備研究方面經(jīng)歷了幾代人長(zhǎng)期不懈的艱難探索，通過(guò)引進(jìn)、吸收和創(chuàng)新，取得不小進(jìn)展，自主研制了一系列量子地球物理探測(cè)裝備，為完善國(guó)內(nèi)勘探地球物理技術(shù)裝備體系做出貢獻(xiàn)。但部分自主研制的量子地球探測(cè)裝備核心指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平還存在差距，冷原子、超導(dǎo)量子等高精度測(cè)量重磁場(chǎng)的芯片和傳感器仍高度依賴國(guó)外，自主研制的系統(tǒng)仍處于樣機(jī)階段。特別是在航空超導(dǎo)重力梯度系統(tǒng)、航空冷原子絕對(duì)重力測(cè)量系統(tǒng)方面的研制處于空白，在進(jìn)行資源探測(cè)時(shí)更多采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，我國(guó)自主研制的裝備距離達(dá)到完全國(guó)產(chǎn)化、真正具有野外探測(cè)能力還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走。
在光泵傳感器系統(tǒng)方面，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（原電子學(xué)研究所）研制的銫光泵傳感器經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院測(cè)試，靈敏度達(dá)到0.45 pT/
@1Hz；研制的磁總場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)與磁補(bǔ)償軟件，經(jīng)過(guò)多次野外試驗(yàn)，其剩余噪聲水平為10pT（0.05~1Hz，RMS均方根值）。中國(guó)自然資源航空物探遙感中心自主研制的數(shù)字化航空氦光泵磁力儀和梯度儀，靈敏度達(dá)到0.25pT（單位帶寬有效值）。在航空高低溫超導(dǎo)全張量磁探測(cè)系統(tǒng)方面，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和中國(guó)自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制了航空低溫超導(dǎo)全張量磁梯度系統(tǒng)，系統(tǒng)噪聲為75fT/m/
，已經(jīng)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)飛行測(cè)試。吉林大學(xué)和中國(guó)自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制了航空高溫超導(dǎo)全張量磁梯度系統(tǒng)，系統(tǒng)噪聲達(dá)到30pT/m（5Hz帶寬，RMS均方根值），在江蘇丹陽(yáng)開(kāi)展了測(cè)線飛行試驗(yàn)。吉林大學(xué)研制出了地面超導(dǎo)時(shí)域電磁探測(cè)系統(tǒng)等裝備。
在地面和航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)方面，早在1970年，我國(guó)開(kāi)始超導(dǎo)重力儀的研制，但可惜的是沒(méi)有研制出系統(tǒng)樣機(jī)。2010年，我國(guó)重新啟動(dòng)了超導(dǎo)重力儀器的研制工作，由中國(guó)科學(xué)院電工研究所負(fù)責(zé)研制超導(dǎo)重力儀以及華中科技大學(xué)負(fù)責(zé)研制航空超導(dǎo)重力梯度儀，突破了超導(dǎo)重力儀的設(shè)計(jì)、制作、集成和測(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了超導(dǎo)重力梯度儀原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)室的噪聲水平為7.2 E/
。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第707研究所與中國(guó)自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制了旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式航空重力梯度系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)重力水平分量梯度測(cè)量，精度達(dá)到70E。
在地面原子絕對(duì)重力系統(tǒng)研制方面，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、浙江工業(yè)大學(xué)等單位開(kāi)展了量子重力儀的研制。2017年，國(guó)內(nèi)4家單位參加了第十屆全球絕對(duì)重力儀國(guó)際比對(duì)并取得有效比對(duì)數(shù)據(jù)，具體指標(biāo)如表2所示，其中華中科技大學(xué)研制的原子重力儀測(cè)量靈敏度達(dá)到4.2 μGal/
，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，其采用新型量子重力微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片，芯片的靈敏度高達(dá)8μGal/
、動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)8000mGal。2019年，中國(guó)科技大學(xué)研制了原子重力儀，測(cè)量
ｇ值的靈敏度分別為35.5 μGal/
和42.5μGal/
，積分時(shí)間2000s后穩(wěn)定度分別達(dá)到了0.8μGal/
和1.3μGal/
。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)原子重力儀研制方面，浙江工業(yè)大學(xué)和中國(guó)自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制的移動(dòng)式原子重力儀系統(tǒng)，2020年在國(guó)內(nèi)首次完成了船載系泊環(huán)境下的絕對(duì)重力測(cè)量工作，重力測(cè)量靈敏度為16.6mGal/
。2022年在中國(guó)南海某海域開(kāi)展了一系列測(cè)量實(shí)驗(yàn)，在航速小于2.1km/h條件下，基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法將絕對(duì)重力測(cè)量靈敏度從300.2mGal/
提升至136.8mGal/
。
表2 國(guó)內(nèi)各單位的原子重力儀性能和國(guó)際比對(duì)結(jié)果
三、量子地球物理探測(cè)技術(shù)裝備發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
縱觀我國(guó)量子地球物理技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀，其面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在研發(fā)體系、核心技術(shù)、創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等幾個(gè)方面。
（一）中長(zhǎng)期系統(tǒng)化發(fā)展體系不完善
國(guó)際上如德國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家，一方面，構(gòu)建了前沿技術(shù)與未來(lái)科學(xué)研究體系，瞄準(zhǔn)地球重磁場(chǎng)的量子精密測(cè)量等領(lǐng)域進(jìn)行布局長(zhǎng)期研究，相關(guān)研究已經(jīng)超過(guò)40余年，并在地面、井中、海洋、航空量子地球物理裝備研制都有布局，不懈追求技術(shù)領(lǐng)先，形成了面向深地礦產(chǎn)資源勘探的井、地、海、空立體探測(cè)體系；另一方面，建立了基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的長(zhǎng)期協(xié)作發(fā)展體系，德國(guó)IPHT與Supracon公司有著長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系，日本SUSTERA協(xié)會(huì)與礦業(yè)勘探JOGMEC公司合作非常緊密，IPHT和SUSTERA等國(guó)家科研院所主要針對(duì)工程應(yīng)用需求，研發(fā)專用芯片、傳感器和探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)Supracon、JOGMEC等勘探企業(yè)進(jìn)行實(shí)際勘探應(yīng)用和多次系統(tǒng)迭代更新，最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)系統(tǒng)的工程實(shí)用化。
我國(guó)通過(guò)十一五十二五十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)等系列計(jì)劃，開(kāi)始研制地球深部重磁場(chǎng)的高精度量子傳感探測(cè)技術(shù)裝備，主要包括了地面超導(dǎo)電磁探測(cè)系統(tǒng)、地面超導(dǎo)重力儀、航空超導(dǎo)全張量磁探測(cè)系統(tǒng)、航空量子銫光泵磁探測(cè)系統(tǒng)、地面原子絕對(duì)重力系統(tǒng)、航空量子重力梯度系統(tǒng)、船載量子重力梯度系統(tǒng)等。一方面，國(guó)內(nèi)研究直接從跟蹤國(guó)際先進(jìn)系統(tǒng)起步，有利于趕超國(guó)際先進(jìn)水平，初步實(shí)現(xiàn)了量子重磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)工程樣機(jī)，并攻克了部分關(guān)鍵技術(shù)，但核心技術(shù)指標(biāo)和成熟度與國(guó)際領(lǐng)先水平有較大的差距，研制的探測(cè)系統(tǒng)尚不能開(kāi)展深部礦產(chǎn)資源勘探應(yīng)用。另一方面，我國(guó)在深井、海洋和航空超導(dǎo)電磁探測(cè)、航空原子絕對(duì)重力和重力梯度系統(tǒng)、航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域的研究和布局處于空白，量子精密測(cè)量深地探測(cè)裝備系統(tǒng)化的發(fā)展體系處于零散分布狀態(tài)，不完善、拼湊捆綁現(xiàn)象嚴(yán)重。量子精密傳感技術(shù)和探測(cè)裝備研發(fā)具有技術(shù)難度大、周期長(zhǎng)等特征，例如，超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)需要幾十年或上百年的長(zhǎng)周期持續(xù)研究才能落地，國(guó)內(nèi)研究主要依托項(xiàng)目資助，但多數(shù)項(xiàng)目結(jié)束后研究基本停滯、研究團(tuán)隊(duì)重組，缺少長(zhǎng)期研究規(guī)劃和長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，尚未形成科研院所與企業(yè)穩(wěn)定合作體系，國(guó)家層面中長(zhǎng)期系統(tǒng)化發(fā)展布局不充分，量子精密地球物理場(chǎng)探測(cè)體系構(gòu)建還需要進(jìn)一步完善。
（二）關(guān)鍵芯片和核心部件的基礎(chǔ)工藝能力不足
在前沿顛覆性技術(shù)領(lǐng)域，基礎(chǔ)研究更需要學(xué)者根據(jù)興趣開(kāi)展自由探索，構(gòu)建長(zhǎng)期的寬容研究氛圍、科學(xué)合理的評(píng)價(jià)機(jī)制和個(gè)人長(zhǎng)期的發(fā)展空間十分重要。由于我國(guó)的研發(fā)人才團(tuán)隊(duì)不穩(wěn)定，所以很容易導(dǎo)致研究的中斷，無(wú)法堅(jiān)持到有成果產(chǎn)出的階段。一方面，對(duì)于從事一些不能立即預(yù)見(jiàn)有明顯應(yīng)用前景的基礎(chǔ)研究團(tuán)隊(duì)，即使研究成員人數(shù)很少，也要保留火種團(tuán)隊(duì)或火種苗子；另外一方面，對(duì)于基礎(chǔ)工藝和制備技術(shù)等急于跟蹤前沿性的研究，過(guò)多追求量子傳感器或樣機(jī)系統(tǒng)更高性能指標(biāo)，將導(dǎo)致底層基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝能力不扎實(shí)，底層基礎(chǔ)研究的創(chuàng)新和前沿性不突出，工程實(shí)用化重視程度不夠，從而導(dǎo)致關(guān)鍵核心技術(shù)受制于國(guó)外的局面不能得到根本性改變。
德國(guó)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于未來(lái)科學(xué)和預(yù)見(jiàn)性技術(shù)的研究不需考慮應(yīng)用市場(chǎng)效益，主要原因是基礎(chǔ)研究的應(yīng)用存在很大的不確定性和未知性。例如，發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)之后的近20年內(nèi)沒(méi)有都得到應(yīng)用，直至在計(jì)算機(jī)硬盤中得以應(yīng)用，才開(kāi)啟了通向新技術(shù)的世界大門。反觀國(guó)內(nèi)，研發(fā)機(jī)構(gòu)一定程度上缺少可持續(xù)性的基礎(chǔ)研究，尤其在關(guān)鍵芯片和核心部件方面的基礎(chǔ)研發(fā)能力嚴(yán)重不足。通?？吹絿?guó)際上研制出了新的高精度量子或原子磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)后，確定其具備良好的應(yīng)用前景和潛力，才開(kāi)始啟動(dòng)高精度量子重磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)等研究，而不是從超導(dǎo)量子和原子精密測(cè)量重磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論出發(fā)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化探測(cè)裝備的主要指標(biāo)與國(guó)際領(lǐng)先水平存在差距，才開(kāi)始重視于傳感器關(guān)鍵芯片和核心部件的基礎(chǔ)工藝等研究，但對(duì)于SQUID和冷原子測(cè)量磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論不清楚，源頭和背后的東西沒(méi)有搞清楚，導(dǎo)致了面對(duì)高靈敏度SQUID芯片設(shè)計(jì)、傳感器等卡脖子的技術(shù)問(wèn)題時(shí)，難以提出原創(chuàng)性的研究思路。
（三）前沿性的綜合關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)
我國(guó)研制的多數(shù)量子重磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)裝備，因在量子重磁場(chǎng)測(cè)量基礎(chǔ)理論研究薄弱，以跟蹤國(guó)外思想和技術(shù)方法為主，導(dǎo)致了前沿性關(guān)鍵技術(shù)原始創(chuàng)新能力不強(qiáng)。國(guó)內(nèi)雖然已經(jīng)有低溫超導(dǎo)SQUID磁場(chǎng)芯片、SQUID磁矢量梯度芯片、銫光泵磁傳感器等研制的相關(guān)報(bào)道，但在噪聲水平、靈敏度指標(biāo)等方面與世界最先進(jìn)指標(biāo)仍存在著一定差距；單個(gè)芯片或者樣機(jī)的高精度指標(biāo)并不能代表關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)攻克，小批量研發(fā)能力尚未形成。我國(guó)在高性能SQUID傳感器芯片的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全解決，量子重力MEMS芯片仍處于研究探索階段，深海低溫液氦或液氮保溫技術(shù)和運(yùn)動(dòng)噪聲的消除仍需要進(jìn)一步深入研究；航空環(huán)境平臺(tái)超導(dǎo)梯度儀的振動(dòng)和外部噪聲抑制、量子重力梯度儀的地面振動(dòng)噪聲、拉曼光相位噪聲以及原子探測(cè)噪聲抑制等技術(shù)還面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
國(guó)內(nèi)在低溫超導(dǎo)SQUID亞微米約瑟夫森結(jié)、高溫超導(dǎo)高質(zhì)量薄膜制備、長(zhǎng)基線光刻、超導(dǎo)恒溫制冷、超導(dǎo)電磁屏蔽、冷原子體系的單量子態(tài)產(chǎn)生、激光冷卻技術(shù)、三維磁光井、離子阱技術(shù)等基礎(chǔ)核心技術(shù)的研究不充分、不透徹。芯片和傳感器指標(biāo)提升離不開(kāi)反復(fù)失敗積攢的經(jīng)驗(yàn)，核心技術(shù)攻關(guān)更需要長(zhǎng)期堅(jiān)持研究。我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力已經(jīng)發(fā)展到了具備開(kāi)展未來(lái)科學(xué)基礎(chǔ)研究能力的階段，需要瞄準(zhǔn)顛覆性、前瞻性、戰(zhàn)略性、前沿性的量子精密地球物理場(chǎng)探測(cè)方向，從多角度、多層面的底層技術(shù)開(kāi)展研究，經(jīng)歷多次反復(fù)摸索以弄清本質(zhì)，要有打破沙鍋問(wèn)到底的精神，解決基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)雙腳不落地的現(xiàn)狀。
（四）量子探測(cè)國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)探測(cè)工程應(yīng)用能力不足
我國(guó)已經(jīng)成功研制了地面超導(dǎo)電磁探測(cè)系統(tǒng)、地面超導(dǎo)重力儀、航空超導(dǎo)全張量磁探測(cè)系統(tǒng)、航空量子銫光泵磁探測(cè)系統(tǒng)、地面原子絕對(duì)重力系統(tǒng)、航空量子重力梯度系統(tǒng)、船載量子重力梯度系統(tǒng)等。國(guó)產(chǎn)研制的量子重磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)多處于樣機(jī)階段，雖然實(shí)現(xiàn)了部分技術(shù)指標(biāo)，但是在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)大動(dòng)態(tài)范圍的重磁場(chǎng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)、屏蔽減震工程技術(shù)等方面還處于研發(fā)階段，探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性和成熟度不高，主要原因有兩方面，一方面，西方國(guó)家在地球物理場(chǎng)探測(cè)高靈敏度SQUID芯片、高精度重力傳感器及慣性器件等領(lǐng)域均對(duì)我國(guó)實(shí)施禁運(yùn)；另一方面，航空高低溫全張量磁測(cè)、航空重力 / 重力梯度測(cè)量的核心技術(shù)主要由加拿大、俄羅斯、美國(guó)及德國(guó)所擁有，導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)研制的量子地球物理探測(cè)系統(tǒng)野外實(shí)際探測(cè)能力不足，野外勘探應(yīng)用程度較低，無(wú)法滿足深地礦產(chǎn)資源探測(cè)需求。
四、量子地球物理探測(cè)技術(shù)裝備重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)和總體發(fā)展路徑
（一）我國(guó)量子地球物理探測(cè)技術(shù)裝備重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)
隨著量子傳感及測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度、高分辨率、高靈敏度、高智能化的地球物理場(chǎng)探測(cè)裝備，將在地球深部礦產(chǎn)資源探測(cè)發(fā)展中處于重要的支撐地位，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。為此，亟需突破深地物理場(chǎng)量子精密測(cè)量理論方法，研制深部地球物理專用的高低溫超導(dǎo)量子干涉器芯片、高靈敏度高分辨率金剛石氮 ? 空位（NV）色心量子矢量磁傳感器、冷原子和超導(dǎo)重力以及重力梯度測(cè)量系統(tǒng)等，建立空 ? 天 ? 地 ? 井全方位立體化的深部量子地球物理探測(cè)體系。
量子地球物理探測(cè)技術(shù)裝備重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)如圖2所示，在十四五十五五十六五3個(gè)五年規(guī)劃中，分近期目標(biāo)、中期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)，針對(duì)高靈敏度傳感技術(shù)、新材料與制備工藝、量子芯片生產(chǎn)能力、穩(wěn)定和可靠性技術(shù)瓶頸、工程化和國(guó)產(chǎn)化完整鏈條、多物理場(chǎng)反演成像方法、全方位的探測(cè)體系等多個(gè)方面，依次進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)。量子地球物理探測(cè)技術(shù)裝備具體建設(shè)任務(wù)如圖3所示，分高精度傳感技術(shù)前沿顛覆性技術(shù)實(shí)用可靠性技術(shù)三個(gè)層次，在重力、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、地震四個(gè)方面，對(duì)量子地球物理探測(cè)技術(shù)裝備具體的建設(shè)任務(wù)分別作出了建議和憧憬。
（二）我國(guó)量子地球物理探測(cè)技術(shù)裝備總體發(fā)展路徑
1. 研究新物理效應(yīng)或機(jī)理的量子傳感理論
研究基于金剛石氮空位色心的新型單自旋量子磁傳感技術(shù)，建立矢量測(cè)量NV色心的物理模型，剖析不同磁場(chǎng)角度下NV色心的頻率偏移機(jī)制；研究NV色心的基態(tài)電子自旋和氮核自旋的操控技術(shù)、激光和微波場(chǎng)對(duì)金剛石量子態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控方法、基于光躍遷的電子自旋量子態(tài)讀出技術(shù)、基于動(dòng)力學(xué)解耦序列的噪聲抑制方法等。通過(guò)研發(fā)金剛石氮空位色心的量子傳感器，實(shí)現(xiàn)高靈敏度和納米級(jí)空間分辨率的探測(cè)方法。
研究SERF原子磁傳感器的原子自旋對(duì)于外界波動(dòng)磁場(chǎng)的響應(yīng)機(jī)制，建立Bloch方程中原子自旋對(duì)外界波動(dòng)磁場(chǎng)及高頻率調(diào)制場(chǎng)的響應(yīng)模型，研究原子極化率均勻度、氣室中不同位置的原子極化率差異使各通道對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)機(jī)理，研究非屏蔽地球物理場(chǎng)探測(cè)時(shí)泵浦光強(qiáng)度調(diào)制和頻率調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)地球物理場(chǎng)非屏蔽環(huán)境下高靈敏度微型化梯度測(cè)量，將為地球物理量子探測(cè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，成為地球物理深部探測(cè)的顛覆性技術(shù)。
2. 突破量子傳感器的制備工藝與測(cè)量應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)
攻克高精度超高分辨率的冷原子干涉重力梯度儀、芯片級(jí)冷原子絕對(duì)重力敏感器、高重頻小型冷原子物理探頭、超導(dǎo)重力傳感器、超導(dǎo)重力梯度敏感探頭的研發(fā)。研究冷原子體系下單量子態(tài)的激光冷卻技術(shù)、離子阱技術(shù)等，研究高效率激光冷卻原子和光抽運(yùn)量子態(tài)制備方法，研究短距離原子自由落體測(cè)量、量子絕對(duì)重力測(cè)量方法等。研究交叉耦合噪聲抑制技術(shù)和共模耦合噪聲抑制技術(shù)、移動(dòng)平臺(tái)上共模耦合信號(hào)的實(shí)時(shí)消除技術(shù)，開(kāi)展地面車載測(cè)量作業(yè)和航空搭載適應(yīng)性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)航空重力梯度儀和航空冷原子干涉重力梯度儀的工程樣機(jī)研制。
攻克高精度超導(dǎo)量子干涉磁傳感器、三分量高低溫超導(dǎo)電磁傳感器、陣列高純鍺傳感器、原子矢量磁傳感器等制造加工技術(shù)。研究芯片級(jí)原子磁力計(jì)的硅微加工制造技術(shù)、具有長(zhǎng)壽命和高靈敏度的磁場(chǎng)測(cè)量量子相干性的金剛石設(shè)計(jì)加工技術(shù)。研究地磁環(huán)境中磁通量子干涉時(shí)的超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)晶粒邊界、熱噪聲、渦流釘扎、磁滯以及磁通陷入的結(jié)構(gòu)模型與優(yōu)化方法；研究無(wú)源地磁場(chǎng)和有源激勵(lì)電磁場(chǎng)等不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)高溫SQUID芯片的性能影響機(jī)理。研究高溫超導(dǎo)量子干涉器芯片的YBCO超導(dǎo)薄膜制備工藝，揭示脈沖激光沉積溫度、雜相顆粒尺寸和密度、羽輝中的化學(xué)成分、靶法線方向角、激光能量等對(duì)高溫超導(dǎo)薄膜質(zhì)量和高溫DC SQUID芯片噪聲水平的影響機(jī)理；研究高溫超導(dǎo)磁測(cè)芯片制備工藝和低形變的低溫封裝技術(shù)，攻克高溫超導(dǎo)芯片制備工藝，研制完全國(guó)產(chǎn)化的航空飛行平臺(tái)專用磁矢量梯度芯片，實(shí)現(xiàn)地球物理探測(cè)領(lǐng)域?qū)Ｓ酶邷豐QUID芯片的國(guó)產(chǎn)化，提高SQUID芯片在磁法、電磁法和重力測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用水平，提升我國(guó)深部資源探測(cè)能力。
3. 構(gòu)建深部量子地球探測(cè)技術(shù)裝備工程實(shí)用化體系
為了實(shí)現(xiàn)地球深部多物理屬性的智能化和精細(xì)化探測(cè)需求，急需建立達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的航空、井中、海洋、衛(wèi)星等多種移動(dòng)平臺(tái)地球物理探測(cè)技術(shù)體系。研發(fā)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下的重磁總場(chǎng)、三分量、梯度、全張量、電磁場(chǎng)、相對(duì)重力和絕對(duì)重力等多參量測(cè)量技術(shù)裝備，提高多種移動(dòng)平臺(tái)的礦產(chǎn)資源探測(cè)靈敏度和深度，已經(jīng)成為高分辨率、精細(xì)化地球物理技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢(shì)。
移動(dòng)平臺(tái)測(cè)量重點(diǎn)需要攻克重磁場(chǎng)振動(dòng)噪聲處理和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)等，研究振動(dòng)噪聲的實(shí)時(shí)測(cè)量和自適應(yīng)處理方法，研究慣性穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)基座運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量和實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)、量子重力測(cè)量系統(tǒng)的姿態(tài)控制方法，冷原子重力梯度儀的高采樣率、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)噪聲壓制、環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)，攻克冷原子重力梯度儀的地面可移動(dòng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，突破地面移動(dòng)測(cè)量和機(jī)載適應(yīng)性試驗(yàn)位姿和振動(dòng)控制技術(shù)、基于超導(dǎo)量子傳感器的航空電磁探測(cè)技術(shù)、無(wú)人機(jī)地 ? 空探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)等。
五、對(duì)策建議
（一）制定量子地球重磁多場(chǎng)量精密探測(cè)技術(shù)裝備的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃
針對(duì)我國(guó)量子傳感頂層規(guī)劃仍局限于地方政府層面，尚缺乏明確的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略規(guī)劃的現(xiàn)狀，建議我國(guó)需早日研究出臺(tái)量子科技領(lǐng)域的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，布局量子傳感領(lǐng)域的前沿技術(shù)，引導(dǎo)國(guó)內(nèi)量子傳感研究健康快速發(fā)展，致力于開(kāi)發(fā)地球物理場(chǎng)專用的量子器件制備技術(shù)以及量子傳感技術(shù)。對(duì)于SERF原子磁力儀和金剛石氮空位色心磁力儀等新機(jī)制方面的基礎(chǔ)研究，建議采取多點(diǎn)散發(fā)式研究，形成各個(gè)方向都有人員長(zhǎng)期開(kāi)展研究的局面；對(duì)于航空平臺(tái)的冷原子干涉重力和重力梯度系統(tǒng)的研制，鑒于距離實(shí)用化還有較大差距的現(xiàn)實(shí)，建議作為前沿和顛覆性技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻克對(duì)象，同時(shí)也可將移動(dòng)平臺(tái)搭載測(cè)量與實(shí)驗(yàn)對(duì)象拓展到衛(wèi)星重力測(cè)量領(lǐng)域；對(duì)于航空和海洋等移動(dòng)平臺(tái)的高低溫航空超導(dǎo)磁矢量、三分量磁探測(cè)系統(tǒng)，建議短期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的成熟度和實(shí)用化；與此同時(shí)，建議聚焦移動(dòng)平臺(tái)重磁場(chǎng)測(cè)量的卡脖子技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，以工程實(shí)用化研發(fā)為目標(biāo)，打破國(guó)際歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)圍剿。
（二）設(shè)立量子地球物理場(chǎng)精密傳感與探測(cè)技術(shù)裝備試驗(yàn)工程應(yīng)用類項(xiàng)目
應(yīng)鼓勵(lì)開(kāi)展國(guó)產(chǎn)儀器的工程實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究，針對(duì)超導(dǎo)量子芯片和傳感器、冷原子絕對(duì)重力梯度系統(tǒng)、金剛石氮空位色心原子磁力儀等，設(shè)立實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)類支持專項(xiàng)，開(kāi)展研發(fā)可靠性及穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試研究、儀器系統(tǒng)典型區(qū)域工程應(yīng)用和系統(tǒng)實(shí)用性迭代研究，打破國(guó)產(chǎn)儀器不能用、不好用的局面。卡脖子技術(shù)最終體現(xiàn)在工程應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)儀器裝備研發(fā)的較多，但實(shí)用的較少。相關(guān)領(lǐng)域不愿用國(guó)產(chǎn)儀器的根本原因是其不好用、不適用，僅追求性能指標(biāo)的突破。
因此，建議在面向深部關(guān)鍵礦產(chǎn)資源與非常規(guī)油氣能源等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求上，集中整合國(guó)內(nèi)超導(dǎo)量子芯片和傳感器、冷原子絕對(duì)重力梯度系統(tǒng)、金剛石氮空位色心原子磁力儀等研發(fā)優(yōu)勢(shì)資源與科技力量，構(gòu)建量子精密地球物理探測(cè)儀器研發(fā)體系。在基礎(chǔ)研究方面，探索大深度探測(cè)方法的原創(chuàng)性新理論；在裝備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面，攻克地球重磁場(chǎng)專用芯片制備、超導(dǎo)量子磁場(chǎng)和磁矢量梯度場(chǎng)傳感器、原子磁力儀、原子重力儀等研制的卡脖子核心技術(shù)，提升量子傳感器的靈敏度、分辨率、測(cè)量極限、擺率和動(dòng)態(tài)范圍等性能。通過(guò)攻克運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、地球非屏蔽環(huán)境下磁場(chǎng)多參量測(cè)量的系列關(guān)鍵技術(shù)，提高地球物理場(chǎng)的量子精密測(cè)量原創(chuàng)能力和高端技術(shù)研發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)量子高精度地球物理場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化和實(shí)用化，開(kāi)創(chuàng)我國(guó)自主研制地球物理深部探測(cè)裝備的新局面，提高地球物理裝備深部智能化、精細(xì)化探測(cè)水平，從而服務(wù)深部礦產(chǎn)與油氣探測(cè)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源自主可控。
（三）完善多學(xué)科交叉型工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)人才培養(yǎng)模式和評(píng)價(jià)機(jī)制
探索適合地球物理儀器科技創(chuàng)新、有利于科技人才隊(duì)伍穩(wěn)定和發(fā)展的體制、機(jī)制，由于儀器研發(fā)周期較長(zhǎng)，人才評(píng)價(jià)和職稱晉級(jí)等方面需要建立新的評(píng)價(jià)機(jī)制。通過(guò)設(shè)立工程系列的高級(jí)工匠和工程師等系列人才稱號(hào)，從研發(fā)地球物理儀器的國(guó)產(chǎn)化和實(shí)用化等方面建立第三方評(píng)價(jià)模式，讓從事儀器研發(fā)等工程應(yīng)用方面的工程師得到相應(yīng)發(fā)展空間。建議國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)工程系列人員開(kāi)展多學(xué)科訪問(wèn)交流，從而促進(jìn)多學(xué)科交叉融合，進(jìn)一步帶動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)設(shè)置國(guó)際合作項(xiàng)目積極鼓勵(lì)工程技術(shù)人員深度參與國(guó)際合作，培養(yǎng)一批扎根國(guó)內(nèi)地球物理儀器研發(fā)的人才隊(duì)伍。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
