量子精密测量行业赋能白皮书

前言 量子精密测量是利用量子特性（能级跃迁、相干叠加、量子纠缠）获得突破经典测量技术极限，开拓物理信息感知维度的新一代精密测量感知技术。随着集成电路、生命健康、脑科学、空天科技、深地深海等科技前沿领域的飞速发展，以高精度、小型化、低成本为特点的量子精密测量技术逐步成熟。量子精密测量技术一方面有望在测量精度、灵敏度、分辨率等方面超越现有技术，另一方面可开发新的应用场景，成为新一代产业变革的底层技术，是量子信息技术下一个“离产业最近”的方向，或将率先实现大规模产业化应用。 CONTENTS 01 技术简介Technology 钻石 NV 色心原子磁力计冷原子干涉里德堡原子原子钟0103040607 新能源半导体 / 集成电路生命科学医疗健康能源勘探航空 / 航天 / 安全基础科研计量学0918223142465056 01 技术简介Technology 钻石 NV 色心 Nitrogen-Vacancy Center in Diamond A. 核心技术指标 钻石中的 NV 色心是一种极具潜力的固态自旋体系，能够作为从直流到吉赫兹频段的磁场，以及电场、温度、应力等物理量的量子精密测量探针。单个 NV 色心仅有原子级大小，能够实现单分子级别的磁共振探测。二维系综 NV 色心阵列能够在毫米级大视野内实现光学衍射极限分辨率的矢量磁场成像，灵敏度通常能到 nT ∕√ Hz。体系综 NV 色心能制成与原子磁力计和超导量子干涉仪类似的高灵敏探头，矢量磁场灵敏度能到亚 pT ∕√ Hz。 由于良好的生物兼容性，含有 NV 色心的钻石能在室温大气环境下进入生物系统，实现对生物体疾病相关生命活动的原位检测。而且由于钻石的稳定性，NV 色心探针对于环境容忍度极高，能兼容极低温到高温、高压、强磁场、强辐射等极端环境。 B. 核心工艺 通常研究人员使用高温高压法或化学气相沉积法制备高纯度的钻石基底，通过离子注入在钻石内部产生 NV 色心，或通过化学气相沉积法进行氮掺杂的外延生长，在钻石基底上产生含 NV 色心的生长层。 钻石上的微纳加工工艺与半导体领域硅基材料的加工工艺类似，电子束刻蚀、聚焦离子束、激光切割等工艺均能很好地用于钻石的微纳加工。为了更有效地利用 NV 色心，可在钻石上制备包含 NV 色心的固体浸没透镜、纳米柱阵列等光波导结构。而且，纳米柱可以替换原子力显微镜探针的针尖，实现纳米级分辨率的扫描磁场成像。 为了更好地使用 NV 色心进行探测，研究人员发展了一系列量子操控技术。例如通过动力学解耦序列、自旋回波序列等方式可延长 NV 色心的相干时间；通过重复读出序列、自旋 - 电荷态转换读出等方式可提升 NV 色心读出保真度。同时他们也发展了如任意波形发生器、任意序列发生器、锁相放大器等高速电子学器件，用于操控 NV 色心，实现量子精密测量。 中国科学技术大学微纳加工平台图片来源：http://www.hfnl.ustc.edu.cn/page?catid=423 原子磁力计 Atomic Magnetometer 原子磁力计是一种利用原子能级间量子跃迁的特征频率测量磁场的量子精密测量仪器。其原理是使用与原子共振的激光对原子进行泵浦，使其极化，在待测磁场的作用下探测光的偏振方向会发生旋转，利用法拉第磁致旋光效应将磁场信息附载在探测光上，之后将探测光信号转换为电信号，最终输入数据采集装置，进而获得磁场信号。 当原子磁力计工作在无自旋交换弛豫状态（SERF）下时，其磁场强度灵敏度不受自旋交换弛豫的影响，已实现灵敏度达到亚飞特斯拉（ft）级别（10-16T），是地磁场的 1/1012（50 μT），测量灵敏度高于经典磁力计 100 倍以上，是目前最为灵敏的磁场测量手段之一，并且具有非低温工作、易于小型化、低功耗等优点。 碱金属及原子能级结构。a. 碱金属原子气室。b. 法拉第磁致旋光效应。c. 碱金属铷原子能级结构图 片 来 源： 江 敏 的《 基于高灵敏度原子磁力计的超低场核磁共振研究》（b）、（c） 冷原子干涉 Cold Atom Interference 冷原子干涉是基于原子的物质波干涉仪的量子精密测量方案，主要原理是通过激光调控技术实现量子态的制备和操控，通过相位信息读取并经探测器捕捉光信号转化为电信号实现量子态读出。 近年，冷原子干涉技术路线随着基于激光冷却、磁光阱、腔 QED 等技术的进展逐渐升温起来，其优势在于降低了与速度相关的频移，减速 ( 或被囚禁 )的原子可以被长时间观测，从而提高了测量精度。目前主要的应用场景是对重力场和其他惯性力场进行精确的测量，构建具有高精度、零偏移等性能的重力仪及陀螺仪等。 04 在绝对重力测量方面，实验室灵敏度指标已经突破 0.001 μGal（10-12g/ √ Hz）, 基于冷原子技术集成的工程样机已经达到 μGal（10-9g/ √ Hz) 级别。在重力梯度测量方面，实验室灵敏度指标已达到 1 E（10-9/s2)，工程样机指标达到 10 E。 基于冷原子的物质波干涉的技术原理及装置示意图图片来源：ESA - Coldatom interferometryexperiment（上） 图片来源：ESA -New Cold AtomInterferometry VacuumChamber Benefits EarthObservation Missions（左下） 图片来源：MD Lachmannet al., Ultracold atominterferometry in space.Nature, 2021.（右下） 目前室内设备级（大体积固定式）的冷原子重力仪装置研发成果较多，未来随着芯片级原子囚禁技术、微型真空腔技术的成熟，低成本、小型化的便携式原子重力仪或将在民用级导航领域规模化推广。 基于 MEMS 技术将电场、磁场和光场控制技术进行集成，可实现芯片级的原子囚禁、冷却、导引、分束等操控，目前已实现在数百微米尺寸光学表面上，在 35 K 温度下制备超过百个冷原子芯片的验证方案。 用于小型化冷原子系统的微型真空腔图片来源：Cold atomgravimeter 里德堡原子 Rydberg Atom 里德堡原子具有大极化率、低场电离阈值和大电偶极矩的特性，对外部电磁场十分敏感。利用里德堡原子的量子干涉效应测量微波电场强度的灵敏度远高于传统采用偶极天线测量微波电场的灵敏度，在应用方向上也发展了原子微波电场计和原子微波磁场计这两大分支。例如，基于里德堡原子的微波测量灵敏度可达 nVcm-1/ √ Hz), 电场灵敏度可达数百 pV/cm。 里德堡原子测量方案有几点优势。其一，可以溯源到标准物理量，不需 要额外校准；其二，基于原子气室的探头对被测的电场干扰少；其三，测量频率范围和灵敏度也不依赖于探头的物理尺寸。同时，还可以实现对微波电场偏振方向的测量，实现亚波长和近场区域电场的测量与成像。通过选 择 不 同 的 里 德 堡 能 级， 可 以 实 现1 ～ 500 GHz 超宽频段范围内微波电场强度的测量。 电磁诱导透明E l e c t r o m a g n e t i c a l l yinduced transparency(EIT) 用于探测极弱电场信号的里德堡原子气室及探测光路系统 原子钟 Atomic Clock 随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高。冷原子钟是通过降低原子温度，使原子能级跃迁频率更少地受到外界干扰，从而实现更高精度的时间基准频率的测量。 目前，最准确的原子钟是将原子冷却到接近绝对零度，用激光减慢原子热运动，并在充满微波的空腔对原子进行探测，对这些几乎不动的原子进行测量，结果会更加准确。地面上精确度最高的冷原子喷泉钟的误差已经缩小到 1 秒 /3 亿年，更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。比如，NIST-F1 原子钟，它是美国的主要时间和频率标准之一。 冷原子钟技术发展的下一步，是走向空间冷原子钟。与地面冷原子钟不同，空间冷原子钟主要利用了空间的微重力环境。科学家们预计，在微重力环境下所获得的拉姆齐条纹谱线线宽可达 0.1 Hz，比地面冷原子喷泉钟谱线窄一个数量级，从而可以获得更高精度的原子钟信号。 New Energy新能源 A. 锂电池 / 储能 磁杂痕检测 行业痛点： 锂电池生产中，原材料的磁性杂质含量是影响电池状态性能以及健康状态的重要因素 , 因此，对锂电池原料中磁性杂质含量的检测要求十分严格（行业标准在 PPM 级别）。 目前产线上仅依靠电磁体装置进行除杂处理，并通过抽样方式进行磁杂定量。具体为：先用磁棒吸取浆料中的磁性杂质，然后刮下来溶解，用发射光谱仪（ICP）的方法测定其含量。然而这种质控方法耗时长（样品处理 + 测试需要小时级别），过程繁琐，并且无法实现在线全检，导致不同批次生产的电池一致性难以满足更高要求。 赋能价值： 基于量子精密测量技术高灵敏度、非入侵、非接触方式的磁场测量能力，并结合多级电磁除杂装置，可实现在线磁性杂质含量检测与去除，提高锂电池生产一致性。 目标市场 预计落地时间 A. 锂电池 / 储能 锂电池漏电流检测 行业痛点： 随着应用需求发展，各行业对锂电池的性能要求也在不断提高。目前衡量电池漏电流状态的方法是测量电池自放电率。该方法通常需要花费几周时间，极大增加了时间成本和仓储成本，严重影响了产品的生产和上市进度。 赋能价值： 基于量子精密测量技术，以非破坏性和非接触的方式表征锂电池漏电流产生的磁场特征，进而判断出锂电池的自放电状态，有望将检测时间缩短至分钟量级，可极大提高锂电池缺陷状态分析的效率。整套设备可以进一步兼容至锂电池生产线，做到“即产即检”。 动力电池缺陷在线检测系统 目标市场 预计落地时间 A. 锂电池 / 储能 高精度 BMS 系统 行业痛点： 现代的新能源汽车大量使用锂电池作为储能设备，电池管理系统（BMS）是关键技术之一。正确评估电池剩余电量，有助于提升电池的使用寿命与可靠性，而电池剩余电量评估的准确性依赖于电流传感器的精度，因此，电流传感器精度的进一步提升可以满足下一阶段 BMS 系统的需求。 12 赋能价值： 基于量子精密测量的电流传感器可以精确测量电池的工作电流，提升BMS 对电池剩余电量的管理精度，提升有效续航，改善汽车的各项指标。 新能源汽车 BMS 系统图片来源：网络 目标市场 预计落地时间 A. 锂电池 / 储能 储能装置健康诊断 行业痛点： 储能电池管理系统 ( BMS ) 是通过电子电路、软件获取储能电池系统的电性能参数 ( 电压、电流、温度、阻抗等 )，实现储能电池的 SOC、SOE、SOH、SOP 等状态的计算，同时对电池系统进行分段控制、运行保护、均衡管控、热管理、故障告警等控制。随着电池储能技术的大范围推广，需要对在役储能电池堆的安全状态进行更高效准确的评估。 赋能价值： 基于量子精密测量技术研究储能电池不同状态下的电场、磁场、温度等多物理场信号之间的耦合关系，可以建立测量信号与储能装置电性能之间定性或定量的特征关联模型，进一步构建信号安全判定模型，有望在大容量储能装置上实现非接触实时安全状态监测。 目标市场 预计落地时间 B. 光伏器件检测 行业痛点： 光伏设备可将取之不尽、用之不竭的太阳能转化为电能，在改善能源结构、保护生态环境、应对气候变化、实现可持续发展中具有重要意义。 光伏技术的进步在很大程度上依赖表征光伏材料和器件特性的新技术发展。影响光伏设备效率的因素有很多，例如模块中的缺陷、载流子复合位点和分流电阻等。因此分析和测量各种缺陷有助于提升光伏能量转化效率，提升器件性能。在众多评估器件特性和定位分析低效原因手段中，解析器件内部电流的空间分布是一种直观高效的评估方式。 赋能价值： 基于量子精密测量技术能够实现无须接触的高灵敏度电流成像，能够用于光伏