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0905601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

7、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。在绝对重力测量方面，实验室灵敏度指标已经突破 0.001 Gal（10-12 g/Hz）,基于冷原子技术集成的工程样机已经达到Gal（10-9 g/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。Cold Atom Interfer

8、ence冷原子干涉05Technology技术简介目前室内设备级（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 atom gravimeter06电磁诱导透明Electromagnetically induced transparency(

9、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。Rydberg Atom里德堡原子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

10、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。原子气体光电探测器07Technology技术简介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

11、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。Atomic Clock原子钟空间冷原子囚禁装置图片来源：网络0802产业应用Industrial Application09Industrial Application产业应用New Energy新能源磁杂痕检测行业痛点：锂电池生

12、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。A.锂电池/储能浆料除磁杂装置示意图图片来源：网络A去铁粉磁铁排铁磁铁10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

13、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5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年DLG 德朗锂电池生产流程图片来源：网络11Industrial Application产业应用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

14、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”。5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年A动力电池缺陷在线检测系统12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。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

15、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。目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年新能源汽车 BMS 系统图片来源：网络A.锂电池/储能A13Industrial Application产业应用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

16、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5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年A.锂电池/储能A14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

17、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，能够用于光伏设备的失效分析。该方式兼具亚微米分辨率和毫米量级成像视野，同时允许光激发待测光伏组件，有望为提升光伏器件性能和稳定性提供一种高效的分析工具。B.光伏器件检测B15Industrial Application产业应用目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100

18、亿6 10 年16行业痛点：与传统核电站使用的核裂变相比，核聚变的燃料是氘和氚，在海水中储量丰富。而且核聚变产物是氦气，不会伴随放射性核废料。故聚变能是一种清洁、高效的新型能源，各国均在紧锣密鼓地研究可控核聚变技术。托卡马克聚变装置是公认的探索和解决未来聚变反应堆工程和物理问题最有效的途径之一。装置中聚变等离子体优化和控制需要高场磁力计。然而目前没有磁力计能够在托卡马克装置内部的极端辐射、高温、高磁场环境下稳定工作。赋能价值：基于量子精密测量技术的磁力计能够在高温、高压、强辐射环境下正常工作，有望为托卡马克装置和其他极端环境下的磁场装置提供诊断能力。C.核聚变装置磁场监测C17Industri

19、al Application产业应用目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年18Semiconductors/IC半导体/集成电路行业痛点：磁阻式随机存储器（MRAM）是一种以磁性隧道结为单元的新型存储器技术。MRAM兼具动态RAM的密度、静态RAM的速度和闪存的非易失性等特性，有望成为下一代新型存储器。为了在实际应用中集成纳米尺寸的磁性隧道结，必须发展纳米磁场表征技术。铁磁性纳米结构表征的主要挑战之一是需要测量单个纳米磁结构产生的磁场，然而单个纳米结构输出的磁信号往往小于大多数传统磁力计检测下限。此外，测量大阵列式的纳米磁性结构需要复杂且

20、高成本的前处理工艺，最终测得的信号也可能存在统计误差，无法准确表征单个纳米磁性结构的特性。A.磁阻式随机存储器产线质控A19Industrial Application产业应用目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年赋能价值：基于量子精密测量的磁成像技术，有望检测单个纳米磁性结构的磁场分布，结合变化的外加磁场，能够测量纳米元件磁性反转特性。该技术能够实现定量、无损的纳米尺度材料磁场检测，有潜力成为表征 MRAM 中纳米磁性结构的常用手段。20行业痛点：随着半导体工业的发展，集成电路芯片如摩尔定律预测一样，集成度与性能不断提高。对于越来越小的

21、单元和器件，失效分析和错误定位也变得愈发困难。同时三维微电子封装的复杂性引入了更多的潜在失效位点，例如不同的管芯、组装层或层与层之间的互连，对这些失效位点的检测是一个重大挑战。传统的检测手段如伏安特性分析无法精确地定位失效位置，而光束诱导电阻变化和微光显微镜等技术的场景适配性不足且设备昂贵，并且需要一定透光性，无法满足三维芯片检测的需求。赋能价值：基于量子精密测量原理的失效分析技术，可以探测芯片不同层以及层间电流的分布，也可以重构单个 PN 节载流子的密度分布。更进一步，该技术能够探测热态芯片表面的温度分布，重构器件内部电场信息，实现多物理场成像，进而定位芯片失效位点。因此，量子精密测量技术可

22、用于芯片设计和研发，提升芯片品质。B.芯片电流成像B量子钻石显微镜原理图图片来源：SM Oliver et al.,Vector magnetic current imaging of an 8 nm processnode chip and 3D current distributions using the quantum diamond microscope.arXiv,2022.21Industrial Application产业应用目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年22Life Sciences生命科学神经元细胞磁成像行业痛

23、点：在微观尺度下感知神经元的电生理活动，对于理解退神经疾病的发病机理和早期治疗有着重要的研究价值，其中，发展一种无需直接交互即可在任何类型的解剖活组织中被动地、微观地记录神经元细胞电活动的感知技术至关重要。现有的电测量因侵入式（电极接触以及电敏感材料）会对组织产生损害。磁测量技术大多以粗略的空间或时间分辨率进行局部的信号采集，这些探测技术不能有效得提供单个神经元的空间分辨率信息。赋能价值：基于量子精密测量技术，通过轴突中离子电流引起的生物磁场变化的检测，可实现对神经元电信号的被动、显微记录，而不需要直接的样品侵入式接触。并且基于传感器具有的生物相容性，能够在没有不良影响的情况下与生物体紧密接触

24、，从而实现对神经元磁场的长时间高分辨检测。并达到亚毫秒的时间分辨率。A.电生理A量子传感器检测小鼠胼胝体轴突电信号图片来源：JF Barry et al.,Optical magnetic detection of single-neuron action potentials using quantum defects in diamond.PNAS,2016.23Industrial Application产业应用细胞离子通道磁成像行业痛点：细胞生物学中，胞间接触和连接是关键通信和相互作用的场所。这些位点的通路及信号物质组成的动态变化决定了所有细胞内外的相互作用。常规检测方法通常缺乏纳米级

25、细节的灵敏度和精度。赋能价值：基于量子精密测量的新型电信号成像技术，可以对细胞间局部环境的电荷以及交界面连接组织的电信号动态变化进行成像。如从细胞膜中的单离子通道开始，检测细胞膜、细胞外界面和连接处以及细胞内界面的组分系统。A目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年细胞膜内外的生物信息传感成像图片来源：https:/qubbe.uchicago.edu/research/translation.html24小系综核磁行业痛点：代谢组学是研究关于生物体被扰动后（如基因改变或环境变化后）其内源性代谢物质种类、数量及其变化规律的科学。其研究方式通

26、常采用气相/液相色谱-质谱联用(LC-MS)、核磁共振波谱（NMR）等先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法。但针对难以离子化的物质，质谱手段难以触达。NMR 具有高重复性的特点，但是其低灵敏度的技术瓶颈会导致低丰度样品无法鉴别。赋能价值：基于量子精密测量的检测技术可以与质谱联用，采用对样品外加磁场进行极化处理，核磁共振扫描获取样品结构信息，进一步进行质谱定量分析的流程，可实现复杂代谢组学样本中多种低丰度、未知成分的非靶向定性及定量分析，重复再现性好、灵敏度高。B.代谢组学B目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年与 LC、C

27、E 等色谱技术联用的小系综核磁分析系统图片来源：专利用于代谢组学样品成分检测的方法25Industrial Application产业应用原位温度测量行业痛点：温度敏感荧光材料被广泛开发和应用于非接触式细胞内和体内温度监测。现有的发光纳米测温技术测温范围窄，大多数都需要进行表面修饰，以克服其在尺寸、生物相容性和表面亲水性方面的限制。并需要通过激光或药物刺激进行局部加热以改变外部介质的温度来验证其功能。赋能价值：量子精密测量基于 NV 色心的光学和自旋特性，对小尺度的温度波动极其敏感。与传统方法相比，传感器的空间尺度覆盖纳米到微米，且钻石材料的生物相容性良好，可实现单细胞内的原位测量。C.单细胞

28、组学C秀丽隐杆线虫成虫在药物治疗下的温度探测图片来源：M Fujiwara et.al.,Diamond quantum thermometry:From foundations to applications.Nanotechnology,2021.26单细胞核磁共振成像行业痛点：实现单个细胞的核磁共振成像（MRI）测量将会为细胞的组学研究带来新的分析维度。基于传统的核自旋成像方法受制于电测量的灵敏度限制，其空间分辨率止步于 1 微米尺度。为了突破此瓶颈，业界开发了基于超导量子干涉仪或者磁共振力显微镜的技术，将分辨率推进到纳米级别，然而这些方案需要配置低温以及真空环境的复杂系统，一定程度上限

29、制了纳米级别的单细胞 MRI 的应用推广。赋能价值：结合了钻石 NV 色心探针的高灵敏度及纳米位移控制下高空间分辨率的特性，量子精密测量技术可在室温下实现单细胞原位的铁蛋白磁性自旋成像以及磁共振-电子显微镜关联成像，分辨率可达 10 nm。CNV 扫描铁蛋白磁场成像结果图片来源：PF Wang et al.,Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell,Science Advances,2019.27Industrial Application产业应用细胞力显微镜行业痛点：生物膜的机械特性是调节整个细胞体完整性的首要生物物理特

30、性。使用原子力显微镜（AFM）检测时，由于压痕尖端和材料之间的局部接触信息不清晰，会导致无法建模，难以将数据与细胞力学特性联系起来。赋能价值：使用量子精密测量技术来绘制 AFM 压痕引起的固定细胞的非局部变形，无须获取局部接触的详细内容，即可观察到细胞上的弹性和毛细现象之间的竞争。C目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年通过纳米金刚石（NDs）旋转传感同时评估细胞表面/次表面的毛细管现象和弹性图片来源：Y Cui et al.,Measurement of single-cell elasticity by nanodiamond-sen

31、sing of non-local deformation.arXiv,2021.28纳米钻石颗粒行业痛点：理想的细胞示踪方法应具有生物相容性、无毒性、无须基因修饰、单细胞检测灵敏度，并允许在任何解剖位置定量细胞数量的能力。尽管 X 射线、磁共振、正电子发射、伽马发射和基于超声的方式已经实现了体内移植干细胞的非侵入性成像，但用这些方法在细胞层面均存在不同的问题和困难。赋能价值：荧光纳米钻石（FND）具有高度的生物相容性和完美的光稳定性。自2000 年以来，一直被用作短期或长期分析的荧光探针。FND 可以在亚细胞及细胞尺度使用，它们有限的衍射尺寸使其能够以高时空分辨率和与周围环境的高对比度去追踪

32、细胞内过程，也可以追踪治疗化合物或器官中全部细胞的活动过程。主要应用场景为胞内、分子过程传感和用于治疗或诊断目的生物体长期示踪物。D.纳米钻石生物成像D尺寸约为 46 nm 的荧光纳米金刚石（FND）在HeLa 细胞中的定位图片来源：O Faklaris et al.,Photoluminescent diamond nanoparticles for cell labeling:study of the uptake mechanism in mammalian cells.ACS Nano,2009.（左）猪组织中 FND 标记的间充质干细胞（MSC）的荧光成像图片来源：LJ Su et

33、al.,Fluorescent nanodiamonds enable quantitative tracking of human mesenchymal stem cells in miniature pigs.Scientific Reports,2017.（右）目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年29Industrial Application产业应用行业痛点：带有超导磁体的高场 NMR 谱仪很昂贵，需要持续进行低温维护，并且无法移动；高场核磁共振强磁体往往存在严重的磁场不均匀性，限制了 NMR 的分辨率。因此，传统的 NMR

34、需要复杂的系统以产生空间均匀的磁场。赋能价值：NMR 的过程分为极化、编码和检测。在传统的高场 NMR 中，三个阶段发生在同一空间区域，而在低场/零场核磁共振波谱（ZULF NMR）中，这些过程可以在空间上分开，提升了检测手段的灵活性。ZULF NMR 实验可以使用永磁体阵列，不需要超导磁体，并且可以配合超极化技术使极化效率远超传统热极化手段。ZULF 已经发展到使用亚 T 甚至零场的工作模式，具有更高的磁场均匀性和谱分辨率，便宜便携，可以原位测量。ZULF NMR已经在各种领域得到应用，包括材料科学、量子信息处理、基于 NMR 的量子设备和基础物理学实验中。E.低场/零场核磁共振E原子磁力计

35、构建的便携式 ZULF NMR 谱仪，用于生物小分子的低成本 NMR 谱测量图片来源：P Put et al.,Zero-to UltralowField NMR spectroscopy of small biomolecules.Anal.Chem.,2020.30目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年低场下原子磁力计构成的 MRI图片来源：C Papadelisetal.,Current and emerging potential for magnetoencephalography in pediatric epilepsy.J

36、ournalofPediatricEpilepsy,2013.31Industrial Application产业应用行业痛点：与疾病发生、发展密切相关的低丰度生物标志物的超灵敏、多重检测是临床诊断、疾病分型、药物筛选等生物医学领域的重大需求。常规的免疫检测（例如化学发光）受限于仪器检测灵敏度低、检测样本复杂、背景信号干扰多等原因，无法满足在神经、肿瘤、心肌等领域的极低丰度标志物的高效、高灵敏度检测。赋能价值：基于量子精密测量的检测技术具有高信噪比、高通量、均相免洗等优势，可通过磁性标签对标记的生物标志物靶点进行数字化读出，实现简单快速的蛋白质超灵敏检测。该检测技术可应用于神经、肿瘤、免疫、心

37、血管、炎症等多个有低丰度检测需求的领域，如疾病机理的挖掘、早期诊断、药物发现以及疗效的判断。基于量子精密测量技术可以对微米级磁珠进行定位和定量检测，实现特异性细胞的区分，从而达到对循环肿瘤细胞的精确定量，这是一种潜在的新型临床诊断方法。A.免疫检测AHealth Care医疗健康阿尔茨海默患者大脑中 淀粉样蛋白的异常沉积图片来源：https:/www.nih.gov/32目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年免疫检测宽场磁成像装置基于 NV 色心的量子磁传感器磁场信号图33Industrial Application产业应用行业痛点：PO

38、CT 是体外诊断器械(IVD)的一个细分领域。其凭借便捷、快速的优势，可在患者身边快速取得诊断结果。侧向层析技术（LFA）是 POCT 广泛使用的方式之一，但由于其灵敏度低、定量能力差，对早期疾病诊断中低丰度生物标志物检测能力差，因此应用场景受限。赋能价值：纳米钻石具有高亮度、选择性调制的特性，可以替换传统 LFA 中的荧光分子、胶体金、上转换纳米颗粒等，作为新型的标记物，具备实现低背景、极高灵敏度的快速检测能力。B.侧向层析 POCTB在 LFA 中使用 FND 的示意图34利用 LFA 上 FND 的生物素-亲和素结合表征检测的基本极限图片来源：BS Miller et al.,Spin-

39、enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics.Nature,2020.目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年35Industrial Application产业应用行业痛点：当前心血管类疾病临床需求主要包括心肌缺血功能评估、先心病早期诊断等。在心肌缺血功能评估方面，由于 ECG 灵敏度有限，FFR/QFR/SPECT 等有创、有辐射，因此缺乏早期、高灵敏的安全无创手段；在先心病的早期诊断方面，主要通过超声来进行，以结构性为主，在推断功能方面手段有限，缺乏功能学

40、检测途径。心磁图（MCG）是利用极高灵敏磁探测器检测人体心脏磁场信号进行分析的功能成像方法，是传统影像学 MRI、CT 等技术的重要补充。心磁图仪检测完全被动、无创、无接触、无辐射，理论上一切可以改变磁场的心脏疾病都可以由心磁图仪所检测。基于超导量子干涉仪（SQUID）的技术路线成熟，但是仪器体积大、成本高，需要搭配液氦使用;基于线圈的技术简单便捷，但信号较差。赋能价值：基于量子精密测量技术的心磁设备，可达到传统超导技术级别的灵敏度，并且可在室温下操作，能够小型化，可穿戴使用，有巨大的商业化临床应用前景。C.心磁成像仪C基于 NV 色心的科研用心磁图仪图片来源：K Arai et al.,Mi

41、llimetre-scale magnetocardiography of living rats with thoracotomy.Communications Physics,2022.36目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年胎儿心磁图仪诊断图片来源：https:/ OPM 的成人心磁诊断37Industrial Application产业应用行业痛点：对阿尔茨海默症、帕金森或癫痫等神经性疾病患者的大脑活动进行成像，是研究脑/神经疾病机理、临床诊断、治疗等的有力工具。当前的技术多为侵入式，且价格高昂，需要患者行为上高度配合以避免大脑

42、活动的非功能性改变。脑磁图（MEG)是一种通过分析神经元活动产生的有效电流偶极子源，来探测大脑微弱磁场，进而表征大脑活动的方法。基于超导量子干涉仪 SQUID的 MEG 传感器较早进行了该方向的研究，但由于设备需要低温和磁隔离环境，成本高昂，并不便于大规模商业应用。赋能价值：量子精密测量技术是另一个潜在解决方案，相比于 SQUID 方案不需要昂贵的制冷设备，可以在室温下运行；该技术路线的传感器设计可突破制冷杜瓦带来的磁测量距离限制，并可探测矢量磁场，进一步提升脑磁信号质量。当前已被用于癫痫病灶的高精度定位等概念验证场景的探索。未来结合MEMS 工艺制备的多通道生物磁传感方案，可开发出穿戴式脑磁

43、传感设备，或成为下一代非入侵脑机接口技术路线。D.脑磁传感D基于 serf 传感器的穿戴式脑磁设备图片来源：https:/ 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年室温版可穿戴式脑磁传感装置，用于实时解读动态脑电磁波信息图片来源：https:/ Papadelisetal.,Current and emerging potential for magnetoencephalography in pediatric epilepsy.JournalofPediatricEpilepsy,2013.（下）39Industrial Application产业应用目标市场

44、预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年行业痛点：在脑瘤切除等手术过程中，定位健康组织与肿瘤之间的边界仍然是一个巨大的挑战。因此，需要一种使神经外科医生能够在手术过程中区分肿瘤和非肿瘤组织的技术。这将使外科医生能够更安全可靠地切除肿瘤，同时保留健康的脑组织，从而大大降低患者的风险。传统技术例如 MRI、病理组织荧光、超声等均有其技术局限，无法同时满足术中实时、大视野、无标记、三维成像等多方面需求。赋能价值：融合了量子精密测量的新的临床设备，进一步改善某些大脑区域的功能划分定位。新型的量子神经分析仪（QNA）被用于开发下一代术中功能诊断的“磁成像内窥

45、镜”，其通过对大脑信息传递过程中，电荷在神经通路中移动产生磁场的检测和分析，实现百微米级别的神经元活动区域成像，定位功能区域肿瘤边界，使医生能够更精确地规划切口路径。E.术中检测病理组织磁成像E基于钻石 NV 色心研发的脑组织诊断技术图片来源：https:/ 信号因为其灵敏度低，无法实时监测体内代谢过程，传统核磁信号增强装置-溶融超极化DNP 面临设备造价昂贵、效率低等应用推广问题。赋能价值：基于量子精密测量技术可实现近室温下的超极化探针制备，例如，对13C标记的内源代谢物类分子探针的极化信号最高可增强 10000 倍。该技术在许多医学领域（肿瘤及其他领域）具有应用潜力。如通过细胞水平上检测关

46、键代谢途径的早期变化，有效的治疗可以在短时间内诱导肿瘤细胞的代谢反应，并通过代谢 MRI 可见信息（既往组织水平的变化，需要几个月可见）来评估患者在代谢水平上对癌症治疗的早期反应，可以决定性地推进细胞分析，并为医学研究和体外诊断开辟新的途径。F.功能成像：13C 超极化 MRI 分子成像F实现标记 C13 的内源性代谢物的核磁信号极化增强41Industrial Application产业应用目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年超极化 MRI 分子成像揭示生物体内代谢路径图片来源：https:/www.nvision- Explorat

47、ion能源勘探行业痛点：石油被誉为工业的血液，是国民经济发展的推动器，钻井采油是目前重要的石油获取方式。在钻井过程中需要将随钻测量数据实时上传到地面，现有的技术是通过泥浆脉冲或电磁波来实现通信信号向地面的传输。泥浆脉冲传输的技术方案，以钻井液为介质，通过钻井液压力脉冲编码数据，其传输速率低，不适用空气钻井。电磁波传输的技术方案，利用钻杆作为天线实现电磁信号传输，中途虽然可以添加中继器，但传输受地层电阻率影响，传输距离短。随着测井深度不断增加，人们需要一种传输速度更高、稳定性更好、传输距离更大的通信和控制方法。赋能价值：基于量子精密测量技术的井下至地面电磁波通信和控制装置，由于其对低频电磁信号的

48、超高灵敏度，使得井下至地面的信号传输具有传输速率高、稳定性好、传输距离大等优点，在石油钻井过程的数据通信方面具有明显优势。A目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年随钻测井装置图片来源：网络A.油气勘探 量子传感器电磁波通信43Industrial Application产业应用行业痛点：电网中使用的互感器有电磁式电流互感器、电子式电流互感器、光纤式电流互感器等多种类型。电磁式互感器体积较大，耐压等级难以提升，容易出现铁磁谐振，影响电流传输质量；电子式互感器耐压工艺复杂，且测量精度有限；光纤式互感器从原理上保证了绝缘性能，但在应用中出现了温

49、漂大、易受震动影响等问题。赋能价值：采用基于量子精密测量技术的电流传感器，可以从以下几个方面，解决现有电流互感器存在的问题。其一，利用钻石 NV 色心的磁测量技术路线的精度极高，温漂可控性好的特性，可实现精确测量待测电流，提升电网系统的管理精度。另一方面，钻石材料具有稳定的物理化学性质，耐受各种极端环境，有助于提升电流互感器的耐压等级和工作寿命，并可结合先进 MEMS 工艺可实现传感装置小型化。B.电网管理B目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年量子互感器44行业痛点：矿物勘探技术的创新，可以极大促进新矿床的发现。进入 21 世纪，传统的

50、近地表矿床被发现的概率越来越小，探矿行业开始向深部（500 m 2000 m）和难进入的区域扩展。新的矿物探测需要更高的灵敏度，对现有的探测设备提出了更高的要求。赋能价值：量子精密磁测量技术有望为探矿技术提供一套较好的解决方案。该方案具备磁测量灵敏度高的优势，而且可以在室温、地磁场环境下直接使用，具有体积小，功耗低，使用便捷的优点。C.矿物探测C不同探矿技术的对比分析图片来源：NR Paterson,Geophysical developments and mine discoveries in the 20th century.The Leading Edge,2003.45Industri

51、al Application产业应用目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 100 亿6 10 年基于磁场测绘的进行地下矿藏分析图片来源：K Witherly,The evolution of minerals exploration over 60 years and the imperative to explore undercover.The Leading Edge,2012.46Aviation/Aerospace/Security航空/航天/安全行业痛点：近年来自动驾驶技术逐渐走向应用，对基于陀螺仪的惯性导航需求也逐渐提上日程。现有陀螺仪难以兼顾低

52、噪声、小体积、低成本、高精度和高可靠性的各项需求，比如说光纤陀螺仪的精度较高，但体积太大且成本偏高；MEMS 陀螺仪体积较小，成本较低，但可靠性不足。赋能价值：基于量子精密测量的惯性导航技术，可同时满足上述所有需求，有望率先使用在 L4 级别的自动驾驶场景中。A.惯性导航ANV 色心陀螺仪的原理简图图片来源：https:/tlo.mit.edu/technologies/stable-three-axis-nuclear-spin-gyroscope-diamond47Industrial Application产业应用目标市场预计落地时间5 10 亿0 3 年10 50 亿3 6 年50 1

53、00 亿6 10 年原子干涉陀螺仪的样机外形图片来源：Y Liu et al.,Progress on atomic gyroscope/2017 24th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems(ICINS).IEEE,2017.48行业痛点：新型水下目标发出的噪声极低，很难避免被传统的声呐设备发现，这对水下目标探测技术提出了全新的要求。赋能价值：基于量子精密测量的磁探测技术，具有探测灵敏度高、支持多轴向矢量磁测量的优势，并且轴向精度由量子力学的对称性严格保证，避免了传统意义上的轴向

54、误差，可用于对水下目标的发现、定位和追踪。B.磁异常探测B图片来源：网络49Industrial Application产业应用行业痛点：量子雷达是量子通信技术的一种应用。该方案将纠缠光子对中的一个光子发射出去，观察另一个光子的特性改变。由于纠缠光子对的不可克隆性，不论目标物采用了怎样的隐身方法，目标物和发射光子的相互作用必定影响另一个光子的特性。赋能价值：量子雷达目前具备以下潜在优点：较高的探测灵敏度，比传统雷达具有更高的探测距离和识别精度。较低的发射功率，能够有效防范反雷达手段。更多维度的调制能力，可以表征量子涨落等微观信息，探测数据更全面。C.量子雷达C第 12 届珠海航展展示的中电科

55、14 所量子雷达图片来源：网络单光子相机在 45 KM 距离上主动成像的图解图片来源：Z Li et al.,Single-photon computational 3D imaging at 45 km.Photonics Research,2020.50Fundamental Research基础科研前沿需求：寻找粒子物理标准模型之外的新粒子对于探索新物理至关重要。因为这些新粒子往往会被用于填补当前粒子物理学、天体物理和宇宙学等多方面的理论缺陷，例如：粒子质量等级问题、强 CP 疑难、正反物质不对称性、暗物质和暗能量的物理本质等。在诸多解决方案中，一类简单有效的理论假设是引入一类超轻质量的

56、轴子或类轴子粒子。人们猜测这类新粒子或许在电子与核子的相互作用中扮演着新的传递媒介，因此这类新奇的相互作用为实验探索新粒子提供了宝贵的机会。赋能价值：钻石 NV 色心作为传感器可在微米以下的力程范围内开展电子与核子相互作用的搜寻。例如，通过精心设计实验序列将所要探索的新相互作用转化成单自旋量子传感器的量子相位信息，对新奇相互作用给出新的限定。说明了利用 NV 色心量子传感器来研究各种超出标准模型的新物理有独特优势，给我们提供了研究暗物质暗能量的新思路。A探测未知作用力的实验设计图片来源：X Rong et al.,Searching for an exotic spin-dependent i

57、nteraction with a single electron-spin quantum sensor.Nature Communications,2018.图片来源：Chinese physics C 杂质封面(2014)A.寻找新粒子 类轴子51Industrial Application产业应用前沿需求：磁共振技术在获取物质的组成和结构信息方面，拥有准确、快速和无破坏性的独特优势，已广泛应用于物理、化学、材料和生物医学等领域。当前通用的磁共振技术通常仅能得到数十亿个分子的统计平均信息，而单分子级别磁共振信息可以实现单分子成像、分子结构解析、动力学监测，甚至在细胞内部进行原位实验，孕育

58、新的科研价值。赋能价值：基于钻石的新型磁共振技术能将研究对象推进到单分子级别，并将成像分辨率从原来的毫米级提升至纳米级。例如，采用同位素纯化的钻石以延长相干时间，将自由基标记单个生物分子比如蛋白质或 DNA 绑定在钻石表面，然后利用动力学解耦技术同时操控 NV 探针和待探测自旋，对信号实现特异性滤波，从而实现单分子顺磁共振测量。B.单分子磁共振B图片来源：网络52前沿需求：在磁学的研究中，磁成像是一种极其重要的表征手段，对磁性产生机制的研究起到决定性作用。特别是二维磁性材料、磁性氧化物薄膜、反铁磁材料等新材料的突破，亟需高灵敏度、高空间分辨率的表征仪器开展相关研究。赋能价值：基于NV色心和AF

59、M扫描成像技术的扫描NV探针显微镜，具有高灵敏度、纳米级空间分辨、工作温区宽的特征，弥补了已有的磁光克尔显微镜、洛伦兹电镜等显微镜的短板，已经在前沿磁学研究中崭露头角，即将成为该领域中一种重要的磁表征手段。比如，磁性斯格明子因其展现出丰富新奇的物理学特性，在未来高密度、低能耗、非易失性计算和存储器件中具有潜在应用价值。但是室温下单个斯格明子的探测在实验上仍具有挑战性。扫描 NV 探针显微镜具有的高灵敏度和高分辨率特点，是解决这一难题的有力工具，甚至通过杂散磁场测量可以重构出斯格明子的拓扑结构。C.磁性材料表征C微观磁共振成像系统图片来源：M Guo et al.,A flexible nitr

60、ogen-vacancy center probe for scanning magnetometry.The Review of scientific instruments,2021.（下左）图片来源：I Gross et al.,Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer.Nature,2017.（下右）53Industrial Application产业应用D.引力波探测D引力波探测装置：LIGO图片来源：瑞典皇家科学院 Nobelprize.or

61、g（上）图片来源：J Aasi et al.,Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light.Nature Photonics,2013.（下左）图片来源：http:/public.virgo-gw.eu/virgo-in-anutshell/（下右）前沿需求：2015 年 9 月 14 日，位于美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）首次直接探测到引力波。引力波由爱因斯坦在一个世纪前所著的广义相对论中预言。引力波预计只会使 LIGO 长达 4 km 的

62、臂长变化几阿米大约是质子直径的千分之一。由于光子散粒噪声，传统激光干涉仪无法进一步探测到如此微小的时空“涟漪”的细节。赋能价值：量子精密测量技术可对激光的量子噪声或涨落进行大幅压缩，极大提高了 LIGO 探测灵敏度，使其突破标准量子极限，成功观测到距离地球十几亿光年之外黑洞合并过程。人类从此打开了一扇观测宇宙的全新窗口。这一技术还可在光学通信、精密测量、量子计算等多方面具有重要应用价值。54前沿需求：量子材料通常在高压、低温、强磁场等极端物理条件下会展现出一些奇特的性质，例如高温超导现象。科学家发现当给 LaH(10 a)加压到大气压的两百万倍时，在零下 13 摄氏度的“高温”条件即可实现超导

63、。由此可见，通过高压等手段调控量子材料的新奇特性，有可能催生新的材料革命。但是，高压下量子材料的特性表征极具挑战，尤其在磁性测量方面，将传统的电路放在压力腔内十分困难。赋能价值：量子精密测量技术与钻石对顶砧产生的高压结合，就能在不额外引入任何元件的情况下对材料进行无损的磁场探测。将 NV 色心植入钻石对顶砧，可以直接感知钻石对顶砧中的材料在不同压力、温度、磁场等条件下的磁信号变化。此外超导体除了电阻为零外，还会排斥内部的磁场，这种现象叫作迈斯纳效应。通过探测材料的迈斯纳效应即可判断材料的超导性。基于 NV 色心的量子磁传感器可用于高压环境下的磁性检测和微观成像，为高压物理提供了一种全新的研究手

64、段。E.高压物理E利用钻石 NV 色心进行超导物理研究图片来源：M Lesik et al.,Magnetic measurements on micrometer-sized samples under high pressure using designed NV centers.Science,2019.55Industrial Application产业应用前沿需求：X 射线的高穿透力以及短波长特性为生物学成像研究提供了较高的极限分辨率，但同时这种特殊的光线也会给生物样本（如细胞、病毒和细菌）带来辐射损伤。低剂量 X 射线成像可以避免这一问题，但往往分辨率会降低。在不牺牲分辨率的情况下

65、成像更敏感的生物样本是未来该领域的技术发展趋势之一。赋能价值：通过鬼成像量子精密测量技术或将可实现低剂量高分辨的 X 射线显微镜成像。与传统单束 X 射线光子通过样品并到达检测器的典型 X 射线成像技术相比，鬼成像技术需要将 X 射线束分成两束纠缠光子流，且只有其中一束会通过样品，被研究的样品仅受到少量的 X 射线照射。由于未穿过样品的光子与穿过样品的光子具有相关性，因此可以提取大量 X 射线光子所携带的测量信息，最终实现降低样品辐照剂量，并保持较高的分辨率效果。F.量子增强 X 射线显微成像F量子 X 射线成像原理及装置图片来源：https:/www.bnl.gov/newsroom/new

66、s.php?a=11734756前沿需求：因为微波/太赫兹辐射很容易通过塑料、人体等材料，可以用于无损检测。并且由于其非电离性质，高速太赫兹成像未来在安防、生物医学领域的应用需求会很大。目前快速的太赫兹全场成像仍然是一个未实现的目标。传统技术面临热噪声大、非线性转化效率低等问题，导致无法同时满足灵敏度和高帧率的需求。赋能价值：室温下制备里德堡态的碱金属原子阵列可采用电磁诱导透明(EIT)的方法，将难以探测的太赫兹辐射场转化为可探测光子，可实现在接近光场空间衍射极限的分辨率、飞瓦检测强度以及每秒几千帧的成像速度。A.高分辨微波/太赫兹成像AMetrology计量学基于原子气室传感阵列实现亚微米级

67、非干扰式电场成像57Industrial Application产业应用前沿需求：基于里德堡原子开发的频谱方案的前沿方向主要包括：原子天线：研究基于原子体系的信号无线接收新机制，研制宽频带载波、兼容多调制模式的便携式原子接收机，并用于外场实验。原子频谱仪：基于里德堡原子体系实现微波信号的强度、频率、相位等全参数探测感知，探索宽频带连续频率调谐的新方法和新技术，形成便携式原子微波频谱仪。原子雷达：基于阵列原子感知的微波探测方法，探索信号到达角估计（DOA）等雷达应用。B.原子微波/RF 频谱通信B基于阵列原子感知的微波探测方法，可探索信号到达角估计等图片来源：网络以量子信息技术为代表的第二次量子

68、革命将为数字经济带来颠覆式产业革新机会，量子精密测量技术作为挖掘新的“信息入口”的重要工具，将为产业数字化智能化创新带来极大的“信息增量资源”。量子精密测量技术的商业化将呈现“八仙过海 各显神通”的多技术路线局面，不同技术路线基于其特性将实现业务场景落地“多点开花”。在产业化浪潮到来之际，国仪量子作为全球领先的量子精密测量技术产业化的开拓者，编制此白皮书展示了当前量子精密测量的主流技术以及具备商业化潜力的应用场景，助力量子技术赋能行业应用创新。后记国仪量子（合肥）地址：合肥市高新区创新产业园二期E2楼国仪量子（无锡）地址：无锡市惠山区惠山城铁站区站前路2号更多新闻动态更多解决方案国仪量子（重庆）地址：重庆市涪陵区马鞍街道中科大厦19层10号国仪量子（北京）地址：北京市海淀区大钟寺东路9号1幢B座413室国仪量子（上海）地址：上海市静安区陕西北路80号七立方102室国仪量子（广州）地址：广州市黄埔区瑞和路39号H5栋1-2楼400-0606-CHINAINSTRU&QUANTUMTECH(HEFEI)CO.,LTD.国仪量子（合肥）技术有限公司F E E L T H E W O R L D I N A Q U A N T U M W AY