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1、量子精密测量行业赋能白皮书|技术|变革|产业|未来|赋能赋能赋能用 量 子 传 感 赋 能 千 行 百 业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。前言CONTENTS目录01

2、02技术简介Technology产业应用Industrial Application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091822314246505601技术简介Technology01Technology技术简介Nitrogen-Vacancy Center in Diamond钻石 NV 色心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

3、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。NV 色心原理图02B.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

4、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

5、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。钻石纳米柱探针扫描电镜图中国科学技术大学微纳加工平台图片来源：http:/ T），是地磁场的 1/1012（50 T），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）Atomic Magnetometer原子磁力计04基于冷原子的物质波干涉的技术原

6、理及装置示意图图片来源：ESA-Cold atom interferometry experiment（上）图片来源：ESA-New Cold Atom Interferometry Vacuum Chamber Benefits Earth Observation Missions（左下）图片来源：MD Lachmann et al.,Ultracold atom interferometry in space.Nature,2021.（右下）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