量子精密測量行業(yè)賦能白皮書 2024

國儀量子CIQTEK堿金屬及原子能級結(jié)構(gòu)。圖片來源：江敏的《基于高靈敏度原子磁力計的超低場核磁共振研究》-16在絕對重力測量方面，實驗室靈敏度指標已經(jīng)突破0.001μGal（10-12里德堡原子具有大極化率、低場電離閾值和大電偶極里德堡原子測量方案有幾點優(yōu)勢。其一，可以溯源到標要額外校準；其二，基于原子氣室的探頭對被測的電場干擾少；其三，測量頻率范圍和靈敏度也不依賴于探頭的物理尺寸。同時，還可以實現(xiàn)對微波電場偏振方向的測量，實現(xiàn)亞波長和近場區(qū)域電場的測量與成像。通過選擇不同的里德堡能級，可以實現(xiàn)原子氣體原子氣體bbbbbbb光電探測器Electromagneticallyinducedtransparency用于探測極弱電場信號的里德堡原子氣室及探測光A），并結(jié)合多級電磁除雜裝置，可實現(xiàn)在線磁性雜質(zhì)含量檢測與去除，提高鋰電A動力電池缺陷在線檢測A是關鍵技術(shù)之一。正確評估電池剩余電量，有助于提升電池的使用壽命與可靠性，而電池剩余電量評估的準確性依賴于電流傳感器的精度，因此，電流基于量子精密測量的電流傳感器可以精確測量電池的工作電流，提升A儲能電池管理系統(tǒng)(BMS)是通過電子電路、電性能參數(shù)(電壓、電流、溫度、阻抗等)，實現(xiàn)儲能電池的SO熱管理、故障告警等控制。隨著電池儲能技術(shù)的大范圍推廣，需要對在役儲基于量子精密測量技術(shù)研究儲能電池不同狀態(tài)下的電場、磁場、溫度等多物理場信號之間的耦合關系，可以建立測量信號與儲能裝置電性能之間定性或定量的特征關聯(lián)模型，進一步構(gòu)建信號安全判定模型，有望在大容量儲展。影響光伏設備效率的因素有很多，例如模塊中的缺陷、載流子復合位點和分流電阻等。因此分析和測量各種缺陷有助于提升光伏能量轉(zhuǎn)化效率，提升器件性能。在眾多評估器件特性和定位分析低效原因手段中，解析基于量子精密測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無須接觸的高靈敏度電流成像，能夠用于光伏設備的失效分析。該方式兼具亞微米分辨率和毫米量級成像視野，同時允許光激發(fā)待測光伏組件，有望為提升光伏器件性能和穩(wěn)定性提供一種高與傳統(tǒng)核電站使用的核裂變相比，核聚變的燃料是氘和氚，在海水中儲量豐富。而且核聚變產(chǎn)物是氦氣，不會伴隨放射性核廢料。故聚變能是一種最有效的途徑之一。裝置中聚變等離子體優(yōu)化和控制需要高場磁力計。然而目前沒有磁力計能夠在托卡馬克裝置內(nèi)部的極端基于量子精密測量技術(shù)的磁力計能夠在高溫、高壓、強輻射環(huán)境下正常為了在實際應用中集成納米尺寸的磁性隧道結(jié)，必須發(fā)展納米磁場表征技術(shù)。鐵磁性納米結(jié)構(gòu)表征的主要挑戰(zhàn)之一是需要測量單個納米磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場，然而單個納米結(jié)構(gòu)輸出的磁信號往往小于大多數(shù)傳統(tǒng)磁力計檢測下限。此外，測量大陣列式的納米磁性結(jié)構(gòu)需要復雜且高成本的前處理工藝，最終測得的信號也可能存在統(tǒng)計誤差，無法準確表征單個納米磁性結(jié)構(gòu)的特基于量子精密測量的磁成像技術(shù)，有望檢測單個納米磁性結(jié)構(gòu)的磁場分布，結(jié)合變化的外加磁場，能夠測量納米元件磁性反轉(zhuǎn)特性。該技術(shù)能夠?qū)嶋S著半導體工業(yè)的發(fā)展，集成電路芯片如摩爾定律預測一樣，集成度與性能不斷提高。對于越來越小的單元和器件，失效分析和錯誤定位也變得愈發(fā)困難。同時三維微電子封裝的復雜性引入了更多的潛在失效位點，例如不同的管芯、組裝層或?qū)优c層之間的互連，對這些失效位點的檢測是一個重大傳統(tǒng)的檢測手段如伏安特性分析無法精確地定位失效位置，而光束誘導電阻變化和微光顯微鏡等技術(shù)的場景適配性不足且設備昂貴，并且需要一定基于量子精密測量原理的失效分析技術(shù)，可以探測芯片不同層以及層間夠探測熱態(tài)芯片表面的溫度分布，重構(gòu)器件內(nèi)部電場信息，實現(xiàn)多物理場成在微觀尺度下感知神經(jīng)元的電生理活動，對于理解退神經(jīng)疾病的發(fā)病機理和早期治療有著重要的研究價值，其中，發(fā)展一種無需直接交互即可在任何類型的解剖活組織中被動地、微觀地記錄神經(jīng)元細胞電活動的感知技術(shù)至關重要。現(xiàn)有的電測量因侵入式（電極接觸以及電敏感材料）會對組織產(chǎn)生損害。磁測量技術(shù)大多以粗略的空間或時間分辨率進行局部的信號采集，這基于量子精密測量技術(shù)，通過軸突中離子電流引起的生物磁場變化的檢測，可實現(xiàn)對神經(jīng)元電信號的被動、顯微記錄，而不需要直接的樣品侵入式并且基于傳感器具有的生物相容性，能夠在沒有不良影響的情況下與生物體緊密接觸，從而實現(xiàn)對神經(jīng)元磁場的長時間高分辨檢測。并達到亞毫秒A細胞生物學中，胞間接觸和連接是關鍵通信和相互作用的場所。這些位點的通路及信號物質(zhì)組成的動態(tài)變化決定了所有細胞內(nèi)外的相互作用。常規(guī)基于量子精密測量的新型電信號成像技術(shù)，可以對細胞間局部環(huán)境的電23荷以及交界面連接組織的電信號動態(tài)變化進行成像。如從細胞膜中的單離子細胞膜內(nèi)外的生物信息B代謝組學是研究關于生物體被擾動后（如基因改變或環(huán)境變化后）其內(nèi)源性代謝物質(zhì)種類、數(shù)量及其變化規(guī)律的科學。其研究方式通常采用氣相/合模式識別和專家系統(tǒng)等計算分析方法。但針對難以離子化的物質(zhì)，質(zhì)譜手基于量子精密測量的檢測技術(shù)可以與質(zhì)譜聯(lián)用，采用對樣品外加磁場進行極化處理，核磁共振掃描獲取樣品結(jié)構(gòu)信息，進一步進行質(zhì)譜定量分析的流程，可實現(xiàn)復雜代謝組學樣本中多種低豐度、未知成分的非靶向定性及定與LC、CE等色譜技術(shù)聯(lián)謝組學樣品成分檢測的方法》C現(xiàn)有的發(fā)光納米測溫技術(shù)測溫范圍窄，大多數(shù)都需要進行表面修飾，以克服其在尺寸、生物相容性和表面親水性方面的限制。并需要通過激光或藥物刺敏感。與傳統(tǒng)方法相比，傳感器的空間尺度覆蓋納米到微米，且鉆石材料的C的分析維度?；趥鹘y(tǒng)的核自旋成像方法受制于電測量的靈敏度限制，其空涉儀或者磁共振力顯微鏡的技術(shù)，將分辨率推進到納米級別，然而這些方案需要配置低溫以及真空環(huán)境的復雜系統(tǒng)，一定程度上限制了納米級別的單細性，量子精密測量技術(shù)可在室溫下實現(xiàn)單細胞原位的鐵蛋白磁性自旋成像以C生物膜的機械特性是調(diào)節(jié)整個細胞體完整性的首要生物物理特性。使用無須獲取局部接觸的詳細內(nèi)容，即可觀察到細胞上的彈性和毛細現(xiàn)象之間的D理想的細胞示蹤方法應具有生物相容性、無毒性、無須基因修飾、單細磁共振、正電子發(fā)射、伽馬發(fā)射和基于超聲的方式已經(jīng)實現(xiàn)了體內(nèi)移植干細熒光納米鉆石（FND）具有高度的生物相容性和完美的光穩(wěn)定性。自細胞尺度使用，它們有限的衍射尺寸使其能夠以高時空分辨率和與周圍環(huán)境的高對比度去追蹤細胞內(nèi)過程，也可以追蹤治療化合物或器官中全部細胞的主要應用場景為胞內(nèi)、分子過程傳感和用于治療或診斷目的生物體長期fE用永磁體陣列，不需要超導磁體，并且可以配合超極化技術(shù)使極化效率遠超A與疾病發(fā)生、發(fā)展密切相關的低豐度生物標志物的超靈敏、多重檢測是臨床診斷、疾病分型、藥物篩選等生物醫(yī)學領域的重大需求。常規(guī)的免疫檢測（例如化學發(fā)光）受限于儀器檢測靈敏度低、檢測樣本復雜、背景信號干可通過磁性標簽對標記的生物標志物靶點進行數(shù)字化讀出，實現(xiàn)簡單快速的該檢測技術(shù)可應用于神經(jīng)、腫瘤、免疫、心血管、炎癥等多個有低豐度基于量子精密測量技術(shù)可以對微米級磁珠進行定位和定量檢測，實現(xiàn)特異性細胞的區(qū)分，從而達到對循環(huán)腫瘤細胞的精確定量，這是一種潛在的新B方式之一，但由于其靈敏度低、定量能力差，對早期疾病診斷中低豐度生物分子、膠體金、上轉(zhuǎn)換納米顆粒等，作為新型的標記物，具備實現(xiàn)低背景、C當前心血管類疾病臨床需求主要包括心肌缺血功能評估、先心病早期診有創(chuàng)、有輻射，因此缺乏早期、高靈敏的安全無創(chuàng)手段；在先心病的早期診斷方面，主要通過超聲來進行，以結(jié)構(gòu)性為主，在推斷功能方面手段有限，測完全被動、無創(chuàng)、無接觸、無輻射，理論上一切可以改變磁場的心臟疾病但是儀器體積大、成本高，需要搭配液氦使用;基于線圈的技術(shù)簡單便捷，并且可在室溫下操作，能夠小型化，可穿戴使用，有巨大的商業(yè)化臨床應用D基于serf傳感器的穿戴是研究腦/神經(jīng)疾病機理、臨床診斷、治療等的有力工具。當前的技侵入式，且價格高昂，需要患者行為上高度配合以避免大腦活動的非功能性量子精密測量技術(shù)是另一個潛在解決方案，相比于SQUID方案不需要昂貴的制冷設備，可以在室溫下運行；該技術(shù)路線的傳感器設計可突破制冷杜瓦帶來的磁測量距離限制，并可探測矢量磁場，進一步提升腦磁信號質(zhì)量。當前已被用于癲癇病灶的高精度定位等概念驗證場景的探索。未來結(jié)合E在腦瘤切除等手術(shù)過程中，定位健康組織與腫瘤之間的邊界仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，需要一種使神經(jīng)外科醫(yī)生能夠在手術(shù)過程中區(qū)分腫瘤和非腫瘤組織的技術(shù)。這將使外科醫(yī)生能夠更安全可靠地切除腫瘤，同時保留超聲等均有其技術(shù)局限，無法同時滿足術(shù)中實時、大視野、無標記、三維成融合了量子精密測量的新的臨床設備，進一步改善某些大腦區(qū)域的功能產(chǎn)生磁場的檢測和分析，實現(xiàn)百微米級別的神經(jīng)元活動區(qū)域成像，定位功能F代謝異常是誘發(fā)許多神經(jīng)系統(tǒng)及腫瘤疾病的關鍵因素。準確測量這種代度低，無法實時監(jiān)測體內(nèi)代謝過程，傳統(tǒng)核磁信號增強裝置-溶融超極化該技術(shù)在許多醫(yī)學領域（腫瘤及其他領域）具有應用潛力。如通過細胞水平上檢測關鍵代謝途徑的早期變化，有效的治療可以在短時間內(nèi)誘導腫瘤個月可見）來評估患者在代謝水平上對癌癥治療的早期反應，可以決定性地超極化MRI分子成像揭A石油被譽為工業(yè)的血液，是國民經(jīng)濟發(fā)展的推動器，鉆井采油是目前重要的石油獲取方式。在鉆井過程中需要將隨鉆測量數(shù)據(jù)實時上傳到地面，現(xiàn)有的技術(shù)是通過泥漿脈沖或電磁波來實現(xiàn)通信信號向地面的傳輸。泥漿脈沖傳輸?shù)募夹g(shù)方案，以鉆井液為介質(zhì)，通過鉆井液壓力脈沖編碼數(shù)據(jù)，其傳輸速率低，不適用空氣鉆井。電磁波傳輸?shù)募夹g(shù)方案，利用鉆桿作為天線實現(xiàn)電磁信號傳輸，中途雖然可以添加中繼器，但傳輸受地層電阻率影響，傳輸基于量子精密測量技術(shù)的井下至地面電磁波通信和控制裝置，由于其對低頻電磁信號的超高靈敏度，使得井下至地面的信號傳輸具有傳輸速率高、B電網(wǎng)中使用的互感器有電磁式電流互感器、電子式電流互感器、光纖式電流互感器等多種類型。電磁式互感器體積較大，耐壓等級難以提升，容易出現(xiàn)鐵磁諧振，影響電流傳輸質(zhì)量；電子式互感器耐壓工藝復雜，且測量精采用基于量子精密測量技術(shù)的電流傳感器，可以從以下幾個方面，解決度極高，溫漂可控性好的特性，可實現(xiàn)精確測量待測電流，提升電網(wǎng)系統(tǒng)的Cm）和難進入的區(qū)域擴展。新的礦物探測需要更高的靈敏度，對現(xiàn)有的探測量子精密磁測量技術(shù)有望為探礦技術(shù)提供一套較好的解決方案。該方案具備磁測量靈敏度高的優(yōu)勢，而且可以在室溫、地磁場環(huán)境下直接使用，具基于磁場測繪的進行地近年來自動駕駛技術(shù)逐漸走向應用，對基于陀螺儀的慣性導航需求也逐漸提上日程?，F(xiàn)有陀螺儀難以兼顧低噪聲、小體積、低成本、高精度和高可靠性的各項需求，比如說光纖陀螺儀的精度較高，但體積太大且成本偏高；基于量子精密測量的慣性導航技術(shù)，可同時滿足上述所有需求，有望率新型水下目標發(fā)出的噪聲極低，很難避免被傳統(tǒng)的聲吶設備發(fā)現(xiàn)，這對基于量子精密測量的磁探測技術(shù)，具有探測靈敏度高、支持多軸向矢量磁測量的優(yōu)勢，并且軸向精度由量子力學的對稱性嚴格保證，避免了傳統(tǒng)意C量子雷達是量子通信技術(shù)的一種應用。該方案將糾纏光子對中的一個光子發(fā)射出去，觀察另一個光子的特性改變。由于糾纏光子對的不可克隆性，不論目標物采用了怎樣的隱身方法，目標物和發(fā)射光子的相互作用必定影響尋找粒子物理標準模型之外的新粒子對于探索新物理至關重要。因為這些新粒子往往會被用于填補當前粒子物理學、天體物理和宇宙學等多方面的質(zhì)和暗能量的物理本質(zhì)等。在諸多解決方案中，一類簡單有引入一類超輕質(zhì)量的軸子或類軸子粒子。人們猜測這類新粒子或許在電子與核子的相互作用中扮演著新的傳遞媒介，因此這類新奇的相互作用為實驗探作用的搜尋。例如，通過精心設計實驗序列將所要探索的新相互作用轉(zhuǎn)化成單自旋量子傳感器的量子相位信息，對新奇相互作用給出新的限定B磁共振技術(shù)在獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)信息方面，擁有準確、快速和無破壞性的獨特優(yōu)勢，已廣泛應用于物理、化學、材料和生物醫(yī)學等領域。當前通用的磁共振技術(shù)通常僅能得到數(shù)十億個分子的統(tǒng)計平均信息，而單分子級別磁共振信息可以實現(xiàn)單分子成像、分子結(jié)構(gòu)解析、動力學監(jiān)測，甚至在細基于鉆石的新型磁共振技術(shù)能將研究對象推進到單分子級別，并將成像分辨率從原來的毫米級提升至納米級。例如，采用同位素純化的鉆石以延長C在磁學的研究中，磁成像是一種極其重要的表征手段，對磁性產(chǎn)生機制的研究起到?jīng)Q定性作用。特別是二維磁性材料、磁性氧化物薄膜、反鐵磁材納米級空間分辨、工作溫區(qū)寬的特征，彌補了已有的磁光克爾顯微鏡、洛倫茲電鏡等顯微鏡的短板，已經(jīng)在前沿磁學研究中嶄露頭角，即將成為該領域低能耗、非易失性計算和存儲器件中具有潛在應用價值。但是室溫下單個斯高分辨率特點，是解決這一難題的有力工具，甚至通過雜散磁場測量可以重D直接探測到引力波。引力波由愛因斯坦在一個世紀前所著的廣義相對論中預的千分之一。由于光子散粒噪聲，傳統(tǒng)激光干涉儀無法進一步探測到如此微量子精密測量技術(shù)可對激光的量子噪聲或漲落進行大幅壓縮，極大提高這一技術(shù)還可在光學通信、精密測量、量子計算等多方面具有重要應用E量子材料通常在高壓、低溫、強磁場等極端物理條件下會展現(xiàn)出一些奇