量子精密测量行业赋能白皮书2024.docx

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1、冷1国仪量子,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躺针的针尖,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,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瑞纳加工平台图片来源：AtomicMagnetometer原子磁力计是一种利用原子能级间量

2、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蝇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舟姚豫隹麻响，皿班灵敏度达三r耕獭拉(件)级SU(1产T),剧碑历的V1012(50T),演好平碘三ttt1ISOh,03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、期睁尢点。碱金属及原子能级结构.a.碱金属原子气室。b,法拉第飒旋光效应.

3、c.碱锄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)ColdAtomInterference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螃，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等技术的进展酶升温起来，其触在于降低T与速蝴关的飕，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稀口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04重力仪及陀螺仪等。在绝对重力测量方面,实

4、验室灵敏度指标已经突破0.001Gal(1012gHz),BT冷原工壁几Gal(IO9g/Hz)L在重力梯度测量方面，实验室灵敏度指标已达到1E(109s2),工程样机指柿i!J10E.基于冷原子的物质波干涉 横术图图片来源：ESA-CoId atom interferometry experiment (上)图片来源：ESA-NewColdAtomInterferometryVacuumChamberBenefitsEarthObservationMissions团）图片:MDLachmannetal.,Ultracoldatominterferometryinspace.Nature,20

5、21.（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、磁场和光磁制技术进行集成，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35K制三三iS百个冷原子芯案。05酊小型化冷原子系统 的微型真空腔图片来源：Cold atom gravimeter06Rydberg Atom里德堡原子具有大极化率、彳氐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

6、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 原子微波电场诳口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Vcm 7 Hz),电场灵敏度可松百pVcm里德堡原子测量方案有几点优势。 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。其一，可以溯源到标准物理量，不需电磁诱导透明Electromagnetica

7、lly induced transparency (Em原子气体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AtomicClock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至的卜界干扰，从而实现更高精度的时间基潮顷率的测量。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，更箴三度的冷原子光钟也在速发展中。股口，NIST-Fl原子钟

8、，它是美国的主要时间和频率标准之一.07冷原存帐术发展的下子,是走向空间冷原子钟。与地面冷原子钟同，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0lHz,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。空间冷原子囚禁装置图片来源：网络NewEnergy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（行雄在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

9、，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。蝌除磁杂装置示意图 图片来源：网络排铁磁铁产品铁三三M1: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DLG德也铲臃 图片来源：网络510(ZI1050亿150100fZUli三l三IIIIH.JU!1!；03年I36年I610年.iB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

10、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。Il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510 亿10 50 亿50 100 亿ihiiiiiiiiiiiiMlIilMmII-IiiiiiiiiiiiiiMIIlll高精度BMS系统行蜩点：现代的新I糠柞大量使用锂电池作为储能设备，电池！理是

11、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I2传感器精度的进一步提升可以满足下一阶段BMS系统的需求三三旗：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对电池乘除电量的管理精度，提升有效续航，改善:气车的各项指标。新能源汽车BMS系统 图片来源：网络O3年I36年I610年.储能装置健康诊断行啊点：储能电池管理系统（BMS）是通过电子电路、软件安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SOUSOE,SOH.SOP等状醐计算，同时对电池系统进行分段控制、运行

12、W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13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徘接触实时安全状态监测。S510亿I1050亿I50IoO亿,:JlIllIHnUiU行甄点：光伏设备可将取之不尽、用之不竭的太阳菖维化为电能，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