基于光学方法的量子真空测量技术凭借其在测量量程拓展与不确定度突破方面的显著优势，成为支撑深空探测、半导体制造、新型装备研发等战略领域创新发展的关键技术。《科技导报》邀请兰州空间技术物理研究所研究员成永军等撰文，介绍了量子光学方法反演真空参数的理论模型创新与实验装置突破，系统综述了国际研究机构在该领域的最新发展态势，揭示了现有量子真空测量技术体系存在的瓶颈问题，进而展望了量子真空测量技术的演进发展方向。

　　真空计量作为支撑现代高新技术发展的核心基础技术，在国际单位制（SI）革新、计量体系向量子化转型的时代背景下正经历深刻变革。

　　基于量子光学理论的真空精密测量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。

　　基于谐振腔光学干涉测量真空的核心理念是密度较大的同种气体折射率更强，将其与实际气体定律相结合，可得到考虑多体相互作用后测量真空度

　　即可通过光学干涉法测量法布里−珀罗谐振腔（Fabry−Perot，F−P）中的气体折射率进而反演得到低线 基于囚禁态冷原子碰撞损失的超高/极高真空测量

　　目前，国际上开展冷原子超高/极高真空测量最具代表性的研究机构为美国NIST。2017年，NIST首次提出建立新一代超高/极高真空（UHV/XHV）标准——冷原子真空测量标准。自此，美国NIST联合美国马里兰大学从冷原子真空测量理论研究和实验验证两方面开展了深入研究。在实验研究方面，NIST已建立了基于7Li和85Rb双原子的实验室大型超高线 美国NIST冷原子真空测量系统结构

　　测量装置主要由原子源、二维磁光阱（2D MOT）、三维磁光阱（3D MOT）、真空抽气机组等组成。该装置的主要创新点是：

　　NIST的目标是开发2类冷原子真空标准装置：一种是用于实现最低不确定度和极限真空度的实验室冷原子超高真空标准装置，另一种是可替代传统B−A电离规的便携式冷原子真空测量仪。目前NIST已研制出2台小型化7Li冷原子线），并开展了实验比对验证。

　　图4 基于87Rb原子（a）和7Li原子（b）交叉校准的冷原子线年以来，德国PTB联合德国布莱梅大学开展基于87Rb和41K的集成式可便携冷原子线为内置于真空系统的磁场系统。该装置支持在20 ms内快速切换磁场梯度，满足从磁光阱加载到磁阱捕获的多阶段需求。该设备的物理传感部分如图6所示。

　　该方法尤其适用于工业环境便携式光学干涉线 mPa）提供了一种高可靠、低成本的测量方案。这一方法不仅突破了传统激光频率测量仪器的限制，还为量子光学压力标准的实际应用铺平了道路。

　　2023年，意大利INRiM提出了一种基于迈克尔逊干涉仪结构的多次反射光学干涉压力标准（UINT），替代基于F−P腔的光学干涉真空测量系统。通过非平衡零差干涉仪测量气体折射率，利用多反射双镜装置在紧凑结构中实现了超过6 m的光程差，显著提升了测量灵敏度。测量装置原理如图11所示。该装置通过双级温控系统（铝真空腔和外部铝盒），实现了±1 mK的温度稳定性，确保热环境对测量的影响降至最低。

　　2023年以来，法国国家计量院（LNE）开发的单腔F−P干涉仪可在100 Pa~100 kPa范围内实现高精度热力学压力测量，测量装置原理如图13所示。

　　该项研究首次实现光学干涉低真空测量仪在跨国运输中的性能保持，为光学真空压力标准在半导体、航空航天等高精度低压力测量领域的工业应用奠定了基础。

　　作为“量子帕斯卡”的实现工具，TOP的推广将推动国际真空压力计量体系向光学定义转型，减少对传统机械标准的依赖。

　　在基于超冷原子碰撞逃逸损失特性的真空测量技术研究方面，兰州空间技术物理研究所分析国际真空测量前沿科技发展趋势，2020年率先布局基于超冷锂原子碰撞量子特性的真空测量创新研究。经过持续4年的系统性技术突破，项目团队联合华东师范大学成功研建国内首个基于激光冷却锂原子的超高/极高真空测量原理样机，

　　其核心参数指标可达到国际先进水平，标志着中国在超高/极高真空量子精密测量领域实现重大技术突破

　　在谐振腔光学干涉低真空测量方面，近年来，中国计量科学研究院（NIM）研建了一套谐振腔光学干涉法低真空测量装置，主要由光学系统、温度控制系统和双F−P腔组成，工作原理如图22所示。该研究通过创新性地利用ZTE温度优化谐振腔的热稳定性，为光学线 Pa）范围内的精确测量提供了重要技术突破，推动了量子真空压力计量标准的实际应用。

　　1）当前计算在复杂分子系统（如Ne、Ar）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）在光学干涉式低真空测量技术领域，F−P谐振腔的精密制造工艺仍需突破气体折射率精确标定、腔体材料气体吸附脱附效应控制等核心难题；对于冷原子超高/极高真空测量，磁场与光场的协同作用机制、多元同位素原子在复合场中的量子特性差异对测量的影响规律，以及冷原子团非理想损耗机制（包括量子衍射碰撞和Majorana跃迁等）的作用机理仍需开展进一步的理论实验研究。

　　4）现行光量子真空测量设备普遍存在系统集成度低、光学架构复杂、制造成本高昂等问题，难以适应航天深空探测及装备领域对微型化、高可靠量子真空传感器的迫切需求。

　　推动国际计量组织建立具备超稳定性、超高精度与强抗扰能力的新型量子真空基准体系

　　1）针对光学干涉法低真空测量，通过F−P腔测量气体折射率反演线 kPa）范围实现高精度（不确定度低至0.0008%），并逐步向小型化和便携化发展。

　　3）针对光谱吸收法真空分压力测量，基于朗伯−比尔定律检测气体分压力，CRDS技术可测量至10−9 Pa量级，但受限于吸收谱线匹配和极性气体限制。国外美国NIST、德国PTB等在冷原子和光学干涉技术领先，已开发实验室级高精度设备和便携式原型机。面对国际计量体系量子化转型趋势，中国正构建产学研协同创新平台，通过多轮次技术迭代加速推进真空量值传递体系的量子化重构。

　　《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的研究成果、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、科技新闻、科技评论、专稿专题、综述、论文、政策建议、科技人文等。

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