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。依托光学方法与物质本征特性相结合的新一代量子计量技术，正逐步取代依赖经典物理原理的传统真空测量模式，标志着真空计量领域已迈入以第一性原理为基础的量子精密测量新纪元。

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。

1 基本原理

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p的高阶修正公式：

式（1）中取i=1，则得到测量真空度p的表达式：

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真空压力。

基于冷原子碰撞损失特性测量真空的基本机理是中性气体碰撞势垒囚禁态冷原子后，其损失率与真空度有关。冷原子装载和损耗的动力学方程可表示为：

当势阱中原子的损耗与装载达到动态平衡时，关闭激光停止装载，则R=0，仅观测原子衰减过程，求解式（3）得到：

式中，N₀为稳态t=0时刻的初始原子数。通过指数拟合损耗曲线提取Γ_loss。而损失率Γ_loss与气体分子数密度n，损失率系数⟨σ_loss(U)v⟩满足如下关系：

式中，U为势阱深度，K；σ_loss为碰撞损失截面，cm²；v为气体相对于冷原子的麦克斯韦−玻尔兹曼平均速率，m³/s。因此，结合理想气体定律可得基于冷原子损失特性反演真空度p的基本理论公式：

最后，在综合考虑量子衍射效应、马约拉纳（Majorana）自旋反转损失、原子基态和激发态混合能态效应等非理想损失机制后，真空度p可修正为：

基于吸收光谱法测量真空分压力的基本原理是依据朗伯−比尔定律，即中性气体介质与激光束相互作用后，光强衰减与气体吸收强度、气体分子数密度n和有效路径长度有关，如下式所示：

对式（8）取对数，并在整个频谱范围内进行积分可得到吸收量A_line：

最后，结合理想气体定律可得到测量真空分压力p的表达式为：

2 研究进展

国际单位制的重新定义促进真空计量测试技术进入量子化时代。

2.1.1 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真空测量装置（图1）。

图1 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：3D MOT的磁场系统采用约飞−普里查德Ioffe−Pritchard）磁阱（图2）代替传统的反赫姆霍兹四极磁阱，目的是有效抑制势阱中心冷原子Majorana自旋反转非理想损失，提高真空测量的精度。

图2 Ioffe−Pritchard磁阱结构

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冷原子真空测量仪器（图3），并开展了实验比对验证。

图3 小型化冷原子真空测量仪器构成

加拿大英属哥伦比亚大学提出了在磁阱中基于量子衍射统一性原理测量真空度的新方法。为进一步验证不同传感原子与背景气体碰撞是否遵循量子衍射碰撞的普适性规律，团队基于双原子交叉校准方法开展了量子衍射碰撞普适性在轻粒子碰撞中的偏离研究，实验装置如图4所示。

图4 基于⁸⁷Rb原子（a）和⁷Li原子（b）交叉校准的冷原子真空测量装置原理

2023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真空测量仪研制工作，图5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。

图5 内置于真空系统的磁场系统

图6 冷原子真空测量仪物理传感部分

总之，德国PTB开展了双冷原子压力标准的初步设计，通过紧凑的磁线圈、模块化真空系统和自动化控制流程，推动冷原子传感器向商业化迈进。未来需通过实验验证系统性能，并优化热管理与软件架构以实现最终目标。

2.1.2 基于谐振腔光学干涉的低真空测量

在基于谐振腔光学干涉法的低真空测量方面，美国NIST率先开展了基于固定腔长（FLOC）和可变腔长（VLOC）的光学干涉真空压力测量技术研究，测量原理如图7所示。

图7 基于FLOC的光学干涉真空测量装置与汞柱压力基准比对测量原理

2024年，NIST在前期研究基础上研制出集成化一体式光学干涉低真空测量仪（图8），该仪器通过测量气体折射率变化计算真空压力，该仪器的频率稳定性（标准偏差143 Hz，漂移率<0.006 Hz/s）和重复性表现突出，尤其在低压区域（<100 Pa）显著优于传统测量技术。

图8 集成化一体式光学干涉低真空测量仪结构

2023年以来，瑞典于默奥大学联合瑞典研究院（RISE）研制了基于双F−P腔结构的光学折射率测量仪（DFPC），并在此基础上提出了基于气体调制的折射率测量方法（GAMOR），完成了低真空压力量子化测量，具体测量原理如图9所示。

图9 DFPC−GAMOR低真空测量原理

该研究通过系统性改进仪器设计、真空系统和测量方法，显著提升了光学干涉法真空测量系统在低压区域的性能，为高精度量子化帕斯卡标准提供了技术基础。在此基础上，为进一步提高低真空压力测量精度，研究团队提出了一种对空腔模式频率进行不确定度自动评估的程序方法，实验装置原理如图10所示。

该方法尤其适用于工业环境便携式光学干涉真空测量，为低气压（如1 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。

图10 GAMOR改进实验装置原理

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。

图11 UINT光学压力标准原理示意

2022年以来，日本NMIJ在前期工作基础上，联合日本先进技术研究院（AIST）开发一种基于F−P腔的光学压力测量系统（OPS），测量装置实验原理如图12所示。目前的关键技术挑战主要体现在：

（1）热膨胀影响。

（2）腔体老化。

（3）放气效应。

图12 基于F−P腔的光学压力标准原理

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。

图13 单腔光学干涉法真空测量系统原理

为突破谐振腔光学干涉法真空压力测量技术从实验室走向实际应用的关键技术，实现下一代量子真空压力标准的全球化推广应用，瑞典于默奥大学联合瑞典研究院研制了便携式光学干涉真空测量仪（TOP），如图14所示。

图14 便携式光学干涉真空测量仪实物照片

上述测量装置在欧洲4国计量技术机构（RISE、PTB、INRiM、LNE）开展了环形比对实验，证明其具备运输后快速部署与稳定运行的能力。比对结果表明，在10~90 kPa压力范围内，TOP测量结果与各实验室参考压力平衡器（图15）的数据高度一致，验证了其可靠性。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。

图15 各国际计量技术机构参考压力平衡器实物照片

2.1.3 基于吸收光谱的真空分压力测量

在基于激光吸收光谱的气体分压力测量方面，德国PTB率先应用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）进行了真空分压力测量实验，依据朗伯−比尔定律，通过测量目标气体对光辐射的吸收损耗，结合理想气体定律确定真空分压力，测量原理如图16所示。

图16 基于TDLAS的真空分压力测量装置结构

随着腔增强吸收光谱技术（CEAS）和光学频率梳的快速发展，基于双光梳外差吸收光谱的真空分压力测量技术逐步成为主流的真空分压力量子测量方法，该方法不仅可以有效延长检测激光与被测气体吸收作用路径长度（最高可达百km量级），进一步提升气体激光吸收光谱的测量精度，具体测量装置如图17所示。

图17 基于双光梳外差吸收光谱的真空分压力测量装置结构

此后，为进一步拓展真空分压力测量下限，美国NIST提出了基于光腔衰荡吸收光谱（CRDS）的真空分压力测量新方法，测量原理如图18所示。

图18 光腔衰荡吸收光谱真空分压力测量原理

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。测量装置原理样机实物如图19所示。

图19 ⁷Li冷原子超高/极高真空测量装置实物

基于偏振梯度冷却和反赫姆霍兹四极磁阱俘获技术，在3D MOT真空腔中获得了10⁸个温度为270 μK的⁷Li冷原子团（图20）。利用⁷Li冷原子真空测量装置在磁光阱和四极磁阱中开展实验验证研究，测试气体选择高纯N₂和Ar时，图21为磁光阱和磁阱中测量的⁷Li冷原子的损失率曲线。

图20 3D MOT真空腔体中拍摄的⁷Li冷原子团

图21 磁光阱和磁阱中冷原子损失率测量曲线

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，为光学真空压力标准在低压（1~10⁵ 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。

图22 双F−P腔光学干涉低真空测量装置工作原理

2018年以来，兰州空间技术物理研究所研建了一套光学干涉法中低真空测量装置，主要由激光谐振系统、激光稳频系统、真空系统和温度控制系统组成，整体可分为参考模块和检测模块两部分，具体实物如图23所示。

图23 光学干涉法真空测量装置实物

在光谱吸收法真空分压力测量方面，兰州空间技术物理研究所研制了基于双光梳激光吸收谱的真空分压力测量装置。相比传统基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）波段窄、测量耗时、分辨率较低、实时性差的缺陷，双光梳真空分压力测量方法具有多谱线同时测量、超灵敏、高分辨、非侵入、宽量程、高精度、低耗时的优点，测量原理如图24所示。

图24 双光梳真空分压力测量原理

3 存在问题

当前的理论建模与实验研究仍面临多重制约：由于量子计算精度不足、气体热力学行为及电磁特性研究尚不充分等因素，该技术尚存若干亟需突破的关键科学问题，具体可归纳为以下核心挑战。

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。

3）光谱吸收法真空分压力测量技术面临吸收光程优化、光谱获取效率提升及检测波段扩展等关键技术瓶颈。

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。

4 发展方向

从全球量子真空精密测量技术演进路径看，光学量子真空测量技术发展呈现双重突破方向：

• 其一通过深化量子测量理论研究，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，逐步取代传统基于气体分子动力学的计量基准；

• 其二结合微纳光子学与集成光子芯片技术，开发微型化量子真空传感系统，突破现有电离规等传统真空计的技术局限。

5 结论

量子真空光学测量技术作为突破传统测量极限的革命性手段，在空间科学探测、粒子加速器大科学装置、半导体超精密高端制造等前沿领域展现出变革性应用前景。

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真空度，在低真空（1 Pa~100 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。

2）针对冷原子超高/极高真空测量，利用冷原子损失率与背景气体密度的关系测量超高/极高真空（10⁻¹⁰~10⁻⁶ Pa），精度达6%。美国NIST通过改进磁阱设计（如Ioffe−Pritchard阱）抑制Majorana损失，提升测量可靠性。

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。