研究团队

原子系综精密测量团队

量子精密测量研究部

关于我们

团队成立于2019年10月，负责人为杨仁福研究员。该团队聚焦量子传感技术研究，以原子系综为传感单元，开展时间频率、磁场、电场等物理量的量子精密测量技术研究。针对传感器高精度、微型化、低功耗、高可靠性和低成本等实际应用需求，研制开发微型原子钟、原子磁力仪、原子天线、金刚石NV色心等量子传感器。团队成员15人，其中：科研人员6名，高级工程技术人员4名，在读博士研究生4人，科研助理1人。团队承担着多个国家级重大科研项目。

团队负责人：杨仁福

1. 团队主要研究进展：

（1）微型原子钟：团队开展了基于CPT原理的微型原子钟研制，实现产品体积为15 cm³，重量38 g，稳定功耗小于1W，频率稳定度优于3E-11@1s、1E-11@10s、 3E-12@100s，相位噪声优于-140 dBc@10kHz，驯服后频率准确度优于3E-11。已完成了旋翼无人机搭载试验和空间环境地面模拟试验，综合指标优于国外同类产品。

图1 微型原子钟样机

（2）里德堡原子天线：团队开展了基于里德堡原子的宽频和高灵敏电磁频谱探测技术研究，成功研制目前集成度最高的里德堡原子电磁探测系统，系统体积为6U标准机箱，探测灵敏度优于10nV/cm，实现了分辨率720P的里德堡原子天线高清视频接收探测（该成果在2024年中关村论坛发布）；也研制了基于里德堡原子的电磁计量测试系统，基于里德堡原子的电磁频谱连续扫描系统等，成果可应用于计量、航天、气象、兵器、电子、电力等行业领域。

图2 里德堡原子电磁探测系统

（3）金刚石NV色心：团队研制了基于金刚石NV色心的共聚焦量子扫描显微镜（该成果入选2024中关村国际技术交易大会《百项新技术新产品榜单》），可实现材料高压条件下的空间高分辨荧光成像以及物性表征；团队通过电子束辐照法和CVD生长法，成功制备纳米级金刚石NV色心样品以及高浓度NV色心毫米级金刚石系综样品。

图3 共聚焦量子扫描显微镜

（4）原子磁力仪：开展光泵原子磁力仪的研制工作，基于无磁VCSEL激光器芯片，降低光源对原子磁力仪的噪声影响，搭建了小型磁强计原理样机，实现优于1pT/√Hz 的测量灵敏度，集成微型原子钟，实现了磁学量向时间频率的直接溯源。

图4 原子磁力仪

2. Publication lists:

(1) F.M. Stürner, Y. Liu, P.-O. Colard, M. Markham, and F. Jelezko, Magnetometry based on the excited-state lifetimes of a single nitrogen-vacancy center in diamond, Appl. Phys. Lett. 119(13), 134001 (2021).

(2) Baha Sakar, Yan Liu, Sibylle Sievers, Volker Neu, Johannes Lang, Christian Osterkamp, Matthew L. Markham, Osman ?ztürk, Fedor Jelezko, and Hans W. Schumacher, Quantum calibrated magnetic force microscopy, Phys. Rev. B 104(21), 214427 (2021).

(3) Wenhao Luo, Hong Zhang, Yan Liu, Xiaogang Wei, Yanhua Wang, Renfu Yang, A dual-axis high-order harmonic and single-axis phase-insensitive demodulation atomic magnetometer for in situ NMR detection of Xe, J. Appl. Phys. 132, 144401 (2022).

(4) Yijie Du, Nan Cong, Xiaogang Wei, Xiaonan Zhang, Wenhao Luo, Jun He, and Renfu Yang, Realization of multiband communications using different Rydberg final states, AIP Advances 12, 065118 (2022).

(5) Weina Liu, Md Noor A. Alam, Yan Liu, Viatcheslav N. Agafonov, Haoyuan Qi, Kaloian Koynov, Valery A. Davydov, Rustem Uzbekov, Ute Kaiser, Theo Lasser, Fedor Jelezko, Anna Ermakova, and Tanja Weil, Silicon-Vacancy Nanodiamonds as High Performance Near-Infrared Emitters for Live-Cell Dual-Color Imaging and Thermometry, Nano Lett. 22(7), 2881–2888 (2022).

(6) 杜艺杰, 丛楠, 何军, 杨仁福，基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量, 导航与控制, 2022, 21, 192（邀稿）。

(7) Rong Wang, Yongxiong Chen, Xiaonan Yan, Nan Cong, Delei Fang, Peipei Zhang, Xiubing Liang, and Wenwang Wu. Experimental Investigations on the Mechanical Performances of Auxetic Metal-Ceramic Hybrid Lattice under Quasi-Static Compression and Dynamic Ballistic Loading. Appl. Sci., 13, 7564 (2023).

(8) 董先启, 刘岩, 杨仁福，基于金刚石氮-空位色心的温度测量技术，宇航计测技术, 43, 3 (2023).

(9) Yijie Du, Nan Cong, Yao Liu, Ziyao Lyu, Jun He and Renfu Yang, Enhanced microwave-atom coupling via quadrupole transition-dressed Rydberg atoms, Front. Phys. 12:1312930 (2024).

(10) Yujing Cao, Yan Liu, Junjie Lin, Mengting He, Weijun Guo, E Wu, Detection of electron spin resonance of a single nitrogen-vacancy center in diamond using the excited-state lifetime." J. Lumin. 277,120965(2025)。

(11) 贾春阳，陈雪花，丛楠，罗文浩，张笑楠，杨仁福，里德堡原子电磁探测技术及应用，信息通信技术与政策[J]，2024, 50(7): 85-96 (邀稿)。

3. 学术著作：

金贻荣，何军，杨仁福，《操控量子系统》，国防工业出版社，2024。

4. 授权专利:

（1）核磁共振陀螺仪，CN114061558 B

（2）抽运激光与磁场方位对准装置及方法，CN114001725 B

（3）信号检测方法、装置、设备、介质和计算机程序产品，CN 114383592 B

（4）核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法，CN 114061557 B

（5）匀强磁场的产生方法、磁场线圈、装置、设备和存储介质CN 113555183 B

（6）测量微波场强的装置和测量微波场强的方法CN 116047181 B

（7）量子传感器的自旋态读取装置与读取自旋态的方法CN 115494034 B

（8）磁梯度系统及其检测方法，CN 113721171 B

（9）原子里德堡态激发方法及激光系统，CN 114069370 B

（10）Spin state readout device of quantum sensor and spin state readout method，US 2024/0069127 A1

5. 软著：

（1）PyTController (简称：TController) V0.1 2021SR1560378

（2）PyTController (简称：TController) V0.2 2022SR0162872

（3）Chip-Scale Atomic Clocks controller (简称：CSAC controller) V1.0      2023SR0112576

（4）Chip-Scale Atomic Clocks controller (简称：CSAC controller) V1.1      2024SR0172272

6. 成果发布：

（1） “里德堡原子电磁探测系统”在2024年中关村论坛上作为重大科技成果专场发布（面向国家重大需求的四项科技成果之一）。

（2） “共聚焦量子扫描显微镜”入选2024年中关村论坛/国际技术交易大会《百项新技术新产品榜单》（从全球3000多个项目中胜出）。

（3） “里德堡原子电磁频谱监测系统”在2024年北京市首届量子信息技术创新大会上成果发布。

7. 成果转化：

团队孵化成立北京科微量子科技有限公司，目前已完成首轮融资。公司产品系列主要包括：里德堡原子集成制备系统、里德堡原子电磁信号接收系统、里德堡原子电场计量系统、里德堡原子电磁宽频谱连续扫描系统、高精度微型原子钟、低功耗微型原子钟、芯片级原子钟等。