专访成永军 | 探秘量子真空测量技术

抖音热门 2025年08月31日 00:35 1 admin

近年来，基于量子光学理论的真空精密测量技术取得突破性进展，以更高精度重塑着真空计量范式。传统真空测量模式依赖经典物理原理，存在溯源链条长、动态响应慢等局限，难以满足前沿科技对超高精度测量的需求。而量子真空测量技术则实现了巨大的技术跨越。法布里−珀罗腔光学干涉、冷原子碰撞损失、光谱吸收等方法的创新应用，使其在测量量程拓展与不确定度突破上展现出显著优势，推动真空计量迈入量子精密测量新纪元。

目前，该技术在半导体与集成电路制造、航天与空间科学、高能物理与核聚变、光学与镀膜工业、新能源与材料研究等领域展现出广阔应用价值。量子真空测量技术的研究进展如何？当前面临哪些核心挑战？未来发展方向又是什么？《科技导报》新媒体就此邀请兰州空间技术物理研究所成永军研究员分享了观点。。

成永军

兰州空间技术物理研究所，真空技术与物理全国重点实验室，研究员，研究方向为真空计量测试技术与仪器。

相比传统方法，量子真空测量技术的“革命性”体现在哪些方面上？为何能成为战略领域的核心支撑？

量子真空测量技术相比传统真空测量方法，确实带来了多方面的“革命性”突破，能更精确地“感知”真空环境，并因此成为多个战略领域的核心支撑技术。

在测量原理上，传统真空测量方法依赖宏观物理效应（如气体电离、热传导等），量子真空测量技术则主要基于量子力学基本原理，直接利用物质本征量子特性参数（如原子极化率、冷原子碰撞截面、光谱吸收系数等）进行第一性原理反演计算。“革命性”体现在从宏观效应到微观量子现象，原理上更根本。

在测量准确性/可靠性上，传统真空测量方法需定期校准，读数易漂移、老化，受气体种类影响大，而量子真空测量技术本质上无需校准（基于第一性原理计算），结果更准确可靠，不确定度显著降低。“革命性”体现在从“相对测量”到“绝对基准”，测量结果更可信。

在测量范围与性能上，传统真空测量方法不同量程需不同规管，极高真空测量挑战大，而量子真空测量技术可实现宽量程（尤其是传统方法难以测量的超高/极高真空领域）、高分辨率测量。“革命性”体现在解决了极端真空测不准的难题。

在技术集成上，传统真空测量方法系统相对独立，难以微型化、集成化，而量子真空测量技术易于向小型化、便携化、集成化（如芯片级）发展。“革命性”体现在从“实验室设备”到“可嵌入式的传感器”，更适应未来智能化、网络化需求。

量子真空测量技术的“革命性”，根源在于它利用了原子和光子的量子特性进行测量。这些基于量子力学第一性原理的方法，使得测量结果可以直接溯源到国际单位制的基本常数，从而摆脱了对传统计量标准的依赖，实现了真空计量的量子化变革。

正因其革命性优势，量子真空测量技术成为多个战略领域创新发展中不可或缺的关键技术。

在半导体制造领域，极微小的压力波动或残留气体都可能导致芯片良品率下降。量子真空传感器能提供极高准确度和稳定性的真空监测，满足半导体制造对真空环境和污染物控制的苛刻要求，是保障高端芯片制造的生命线之一。

在载人航天与深空探测领域，在轨航天器（如空间站、载人登月舱等）长期运行中面临空间大型载人密封舱真空泄漏和材料真空放气率的测量难题。量子真空传感器的小型化、低功耗和高可靠性优势，非常适合空间站等长期在轨飞行器的真空监测。

在基础科学研究领域，许多前沿科学实验需要在极端真空环境下进行，以最大限度减少背景干扰。例如在粒子加速器中，需要极高真空来保证粒子束流的高效传输和寿命。在核聚变装置中，也需要超高真空环境。量子真空传感器本身基于量子技术，能为此提供最精准、最可靠的真空保障，是满足这些“大科学装置”真空测量需求的理想工具。

综上所述，我们可以看到量子真空测量技术的“革命性”在于从“相对测量”到“绝对基准”的转变，在量限拓展和测量精度方面具有显著优势，可构建“零溯源链”量子计量新体系。正因为这些颠覆性的优势，使其成为支撑半导体制造、载人航天、大科学装置等众多战略领域创新和发展的核心基础技术。

基于谐振腔光学干涉、冷原子碰撞损失特性、光谱吸收的三种测量技术，在测量区间和精度上等方面各有何侧重？

基于谐振腔光学干涉的真空测量技术主要侧重于中低真空1 Pa~105Pa的高精度快速测量，测量精度可达到10-6。基于冷原子碰撞损失特性的真空测量技术主要侧重于10-10Pa~10-5Pa的超高极高真空测量,测量不确定度有望达到5%。基于吸收光谱法的真空测量技术则侧重于多组分气体真空分压力的实时测量，测量范围为10-9Pa~ 104Pa，不同光谱分析方法可对应不同的测量范围，如基于光腔衰荡吸收光谱的真空分压力测量下限可达到10-9Pa，测量不确定度可达到2%，主要针对极性气体进行测量，如CO、CO2、CH4等。

目前提及的关键技术瓶颈中，您认为哪些是当前急需突破的？您的团队有何攻坚思路？

在量子真空测量方面，当前最急需突破的主要有以下四项关键技术瓶颈：

（1）量子真空测量核心物理常数（原子磁化率、极化率、原子碰撞损失率系数等）的计算问题。He的极化率、磁化率及多体相互作用势能的计算精度达到10-6级别，为介电常数和气体折射率测量提供了可靠的理论基础。然而，在多电子体系（如 Ne、Ar、Xe）中，仍受限于电子数增加带来的计算复杂度，其精度尚未全面超越实验。

（2）冷原子测量的非理想损耗问题。冷原子囚禁态中存在衍射碰撞、马约拉纳自旋翻转、原子激发态混合效应等非理想损失，这些系统误差直接制约了超高极高真空测量的不确定度。

（3）光学腔体材料与热稳定性问题。F-P腔材料存在气体吸附/脱附效应和热漂移问题。

（4）系统小型化与工程应用问题。现有装置多为大型实验室测量装置，存在体积大、光学架构复杂、成本高昂的问题，难以满足宇航科技、半导体芯片生产对小型化、在线式、低功耗真空传感器的需求。

国际量子真空测量技术发展主要集中在提升量子理论模型、实验交叉校准、新材料与新工艺、小型化与芯片化。目前我们团队攻坚思路主要以Li冷原子超高极高真空测量、F–P腔光学干涉低真空测量、双光梳光谱真空分压力测量为核心方向，逐步构建全新的量子真空测量标准体系，并研制出小型化量子真空测量传感器。

国际上NIST、PTB的一些领先成果（例如美国NIST冷原子真空测量系统），对我国研究有哪些具体借鉴意义？

美国NIST、德国PTB等国际主要计量技术机构的研究重点聚焦在冷原子真空测量误差修正、多传感原子交叉校准、零溯源链量子真空标准建立、小型化芯片级量子真空传感器开发等方面。

这些国际领先成果启发我们国内研究团队应当注重 “高精度实验室量子基准建立”与“便携式芯片级量子真空传感器开发” 两条路线发展，既形成计量基准，又实现产业应用。

您提到“微型化量子真空传感系统”是重要发展方向，那么目前团队在设备小型化、降低功耗等方面有哪些探索？距离实际工程应用还有多久？

在冷原子真空测量微型化小型化方向，已实现基于7Li 冷原子的超高极高真空测量原理样机研制，目前正通过优化光路系统、控制系统、磁光阱系统、真空测量系统等关键组成部分，开展集成可移动式冷原子真空测量仪的研制工作。

在光学干涉真空测量的微型化小型化方向，已研制出中低真空光学干涉真空测量装置，后续将PDH稳频与Rb原子钟频率参考等技术应用于仪器集成和关键指标提升，实现便携小型化发展。

在光谱吸收真空分压力测量微型化小型化方向，目前已研制出双光梳真空分压力测量原理验证样机，通过集成化频率梳模块、高速采样系统有望实现小型化发展。

在微型化量子真空传感器工程应用方面，研究团队将在设备小型化和高性能方面继续深入探索。

在未来3~5年内，基于冷原子和光学干涉法真空测量率先在国内实现集成便携化研制，应用于大科学装置、半导体工艺和实验室校准。
在5~10年内，实现冷原子真空测量传感器的研制，有望在空间深空探测和加速器真空监测等领域实现应用。
在10~15年内，有望实现芯片级量子真空传感网络，通过集成光子学、冷原子芯片、微纳光学腔等技术手段，实现多点原位监测。

作为航天系统研究者，您认为量子真空测量技术在航天工程中面临哪些特殊挑战？例如在深空探测任务中，极端环境（如低温、辐射）对测量装置的稳定性及各方面提出了怎样的要求？

量子真空测量技术在深空探测中最大的挑战主要体现在低温下光学腔体和激光的稳定性、强辐射对光学/原子芯片的损伤、航天器对测量仪器体积、重量、功耗的严苛要求、残余气体和材料放气对真空测量准确性的影响等。

因此，应用于深空探测等领域的量子真空传感器必须是小型化、抗辐照、低功耗、具备环境自校准能力的高端真空测量仪器，这也是我们团队后续重点突破的方向。

面对国际计量体系向量子化转型的趋势，我国在构建真空量值传递体系量子化重构过程中，目前已经取得了哪些阶段性成果？还面临哪些挑战需要克服？

我国在基于光学干涉、冷原子、光谱吸收的真空测量三大方向已取得突破性进展。其中，光学干涉法低真空测量技术已在 1~105Pa 测量范围接近国际水平；冷原子真空测量实现了10-10Pa量级原理样机研制，达到了国际先进水平；光谱吸收法实现了高速动态真空分压力测量，在国际上也处于同等研究水平。

但挑战依然突出，主要有：理论支撑不足，缺乏自主的第一性原理数据库；小型化与工程化的差距较大；量子化量值传递体系尚未形成。

因此，未来重点攻关包括以下几点：完善第一性原理理论计算等理论建模；推动便携化、小型化、芯片化装置的工程化实现；构建与国际接轨的量子化量值传递链。

在您看来，量子真空测量技术对保障载人航天、大科学装置等工程的自主可控有何深远意义？

量子真空测量技术对保障载人航天、大科学装置等国家战略工程的自主可控具有深远意义，其影响远不止于“测量”本身，而是贯穿于设计、运行、甚至安全的全过程。

一是打破技术垄断，实现仪器和标准自主可控。在高端真空测量仪器领域，电容薄膜真空计、超高真空电离计等传统真空传感器长期被国外少数公司垄断。量子真空测量作为一种原理性颠覆的技术，为我们提供了一个绕过传统技术壁垒、实现弯道超车的绝佳机会。掌握了量子真空测量技术，就意味着掌握了真空测量这一工业基础环节的自主权。量子真空传感器也是一种绝对标准，我国量子真空测量技术目前与美国NIST、德国PTB等国家同步发展，使我国将来可以在国际计量体系中具备规则制定与标准制定的话语权。

二是提升工程可靠性，保障运行与安全自主可控。在载人航天领域，空间站等大型载人航天器结构复杂，长期在轨运行可能因空间碎片撞击等而发生难以察觉的微小泄漏。量子真空传感器的超高精度和灵敏度可以更早、更准确地定位泄漏源，为在轨维护和航天员安全提供至关重要的预警。在大科学装置领域，粒子加速器的真空度直接影响粒子束流的寿命和碰撞效率，核聚变装置的第一壁真空是维持高温等离子体稳定约束的前提。量子真空传感器能够为这些大科学装置提供准确可靠的真空测量数据，确保它们始终工作在最优状态，产出高质量的科研成果。

因此，量子真空测量技术打破了传统测量方法依赖，是从“相对测量”到“绝对基准”的转变，可为宇航型号和武器装备发展全寿命周期测量提供保障。在载人航天、深空探测、大科学装置、半导体产业中，量子真空测量可避免仪器繁琐的校准溯源依赖，构建自主可控的真空计量体系，确保工程运行的长期可靠性。另外，发展量子真空测量技术，意味着我们有可能参与甚至主导未来真空计量国际标准的制定与修订，这是从技术跟随到技术引领的标志性转变。量子真空测量技术不仅是真空测量的前沿技术突破，更是保障我国载人航天、大科学装置与高端产业“自主可控”的战略基石，其意义不仅在于测量精度，更在于长期可靠性与国际话语权。

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