量子傳感技術(shù)發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用張少春中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2025年8月14日·北京*Email:zscyw@ustc.edu.cn中國(guó)能源研究會(huì)能源裝備智能檢修與安全運(yùn)行專(zhuān)業(yè)委員會(huì)成立會(huì)議暨首屆智能檢修與安全運(yùn)行技術(shù)交流會(huì)此

“

量子

”非真量子

量子水杯、

量子按摩、

量子鞋墊、

量子醫(yī)學(xué)、

量子速讀

，

…

…2

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士、

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員

安徽國(guó)盛量子科技有限公司主要?jiǎng)?chuàng)辦人/首席技術(shù)官

安徽省優(yōu)秀博士后

中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)能源電力計(jì)量與智能感知技術(shù)及裝備專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員

研究方向：精密測(cè)量方法

，及其在磁場(chǎng)、溫度等物理量的測(cè)量應(yīng)用

核心成果：光纖量子傳感技術(shù)、超高靈敏度磁場(chǎng)與溫度測(cè)量、多功能同步傳感技術(shù)、高精度電流測(cè)量

承擔(dān)/參與項(xiàng)目：

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目、

國(guó)自然青年基金、國(guó)自然重點(diǎn)項(xiàng)目子課題、

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目

發(fā)表SCI論文30余篇

，并獲授權(quán)40多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利個(gè)人簡(jiǎn)介張少春31.

量子傳感的發(fā)展背景和基本原理介紹2.固態(tài)自旋量子傳感器的研制與傳感方法3.固態(tài)自旋量子傳感器的應(yīng)用案例4.固態(tài)自旋量子傳感器的未來(lái)產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇與挑戰(zhàn)大綱41.

量子傳感的發(fā)展背景和基本原理介紹2.固態(tài)自旋量子傳感器的研制與傳感方法3.固態(tài)自旋量子傳感器的應(yīng)用案例4.固態(tài)自旋量子傳感器的未來(lái)產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇與挑戰(zhàn)大綱52018年11月16日

，

第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議

，

決定國(guó)際單位制(SI)中的四個(gè)基本單位(千克、

開(kāi)爾文、

安培和摩爾)由自然常數(shù)定義

，并將于2019年5月20日正式生效。至此

，

SI的七個(gè)基本單位全部由基本物理常數(shù)定義

，

計(jì)量進(jìn)入了

“量子化”時(shí)代逐級(jí)溯源的實(shí)物計(jì)量體系構(gòu)建扁平化量值校準(zhǔn)體系實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化邊緣數(shù)據(jù)互聯(lián)2018年11月16日基本物理常數(shù)國(guó)際單位制（SI）改革

7個(gè)基本單位打破計(jì)量和測(cè)量的邊界

，

測(cè)量進(jìn)入

“

量子化

”

時(shí)代阿伏伽德羅常數(shù)

NA

=6.02214076

×

1023

mol-1基本電荷e

=

1.6021766208（98）

×

10-19

C真空中的光速c

=299792458

m

·

s-11m

=

(c/299792458)s

=30.663318…c/Δνmol

=6.02214076

×

1023/

NA1A

=e/

(1.602176634×

10-19)s-1

=6.789686…

×

108

·e

·

Δν國(guó)際計(jì)量基準(zhǔn)光視效能

Kcd

=

540

×

1012Hz單色光的光視效能定義為683

lm

·W-1cd

=

(Kcd

/683)

kg

m2

s-3

sr-1

=2.614830…

×

1010

(Δν)2

·h

·

Kcd1kg

=

(6.62607015×

10-34)

m-2

s

=

1.475

521…

×

1040

h·Δν/c2銫133原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷頻率Δν

=9192631770s-11K

=

(1.380649×

10-23/k)

kg

m2

s-2

=2.266665…Δν·h/k時(shí)間成本設(shè)備成本人力成本玻爾茲曼常數(shù)

k

=

1.380649

×

10-23

J·K-1普朗克常數(shù)h=6.62607015

×

10-34

J

·s1s

=9192631770/Δν1要建成以量子計(jì)量為核心、科技水平一流、符合時(shí)代發(fā)展需求和國(guó)際化發(fā)展潮流的國(guó)家現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量體系?！獓?guó)務(wù)院印發(fā)《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2021-2035）》要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性

，加強(qiáng)量子科技發(fā)展

戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)

，下好先手棋。——中共中央政治局第二十四次集體學(xué)習(xí)加強(qiáng)以量子計(jì)量為核心的先進(jìn)測(cè)量體系建設(shè)《

陜

西

省

計(jì)

量

發(fā)

展

規(guī)

劃（2021—2035年）》實(shí)施國(guó)家“量子度量衡”計(jì)劃，開(kāi)展基于微觀粒子量子效應(yīng)的精密測(cè)量技術(shù)研究《關(guān)于印發(fā)加快“世界光谷”建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃的通知》建設(shè)國(guó)際一流的量子精密測(cè)量和量子導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)《成都市“十四五

”數(shù)字經(jīng)

濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》重點(diǎn)發(fā)展量子通信應(yīng)用方案、

量子計(jì)算軟件系統(tǒng)、量子信

息材料等《湖南省人民政府關(guān)于推進(jìn)計(jì)量事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》推動(dòng)量子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

，提升區(qū)域核心競(jìng)爭(zhēng)力《廣州市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》瞄準(zhǔn)量子科技等一批面向未來(lái)的前沿產(chǎn)業(yè)集中突破《

安徽省實(shí)施計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）工作方案》到2035年

，以量子測(cè)量為核心的計(jì)量技術(shù)在全國(guó)領(lǐng)先《上海打造未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來(lái)產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)方案》圍繞量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)

量

，積極培育量子科技產(chǎn)業(yè)《浙江省高質(zhì)量推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展2022年工作要點(diǎn)》加快布局一批包括量子信息在內(nèi)的未來(lái)產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)區(qū)《江西省人民政府關(guān)于加快推進(jìn)新時(shí)代計(jì)量工作高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》加強(qiáng)計(jì)量基礎(chǔ)研究

，積極參與“量子度量衡”計(jì)劃各省市跟進(jìn)參與

“

量子度量衡

”

計(jì)劃《河南省“

十四五

”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》重點(diǎn)培育量子信息等未來(lái)產(chǎn)業(yè)，初步建成量子信息等國(guó)家級(jí)先進(jìn)制造業(yè)集群《山西省“十四五

”未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃）》構(gòu)建量子基礎(chǔ)研究、量子應(yīng)用研究、量子技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈。量子測(cè)量傳感器的判據(jù)

量子系統(tǒng)的狀態(tài)具有可分辨、

分立的能級(jí)；

量子系統(tǒng)的狀態(tài)可以被相干操控

，

并且可讀取；

量子系統(tǒng)的狀態(tài)與待測(cè)物理量相互作用

，

具有固定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。傳感器種類(lèi)：

電子

，原子、

分子、

離子、

超導(dǎo)線(xiàn)路、

半導(dǎo)體量子點(diǎn)等傳感器特性：

具有穩(wěn)定的能級(jí)、

外界環(huán)境可導(dǎo)致能級(jí)或者量子態(tài)變化工作方式：

通過(guò)光學(xué)與電學(xué)等可視化方法探測(cè)能級(jí)變化、

操控量子狀態(tài)量子測(cè)量傳感器Rev.

Mod.

Phys.89,035002(2017)9經(jīng)典（精密）

測(cè)量：牛頓力學(xué)

，

電動(dòng)力學(xué)（麥克斯韋方程）量子（精密）

測(cè)量：量子力學(xué)（薛定諤方程）量子態(tài)的測(cè)量高精密的量子“尺子”

：量子態(tài)電場(chǎng)E

磁場(chǎng)B

溫度T

壓力P

輸出“刻度”值初始“刻度”測(cè)量過(guò)程走的路徑終止“刻度”

10量子態(tài)輸入

傳感/量子態(tài)演化量子態(tài)測(cè)量

物理量α

(E,

B,

T,

P)I0〉+β(E,

B,

T,

P)eiφ(E,B,T,P)I1〉經(jīng)典測(cè)量與量子測(cè)量α

(E,

B,

T,

P)β(E,

B,

T,

P)φ(E,

B,

T,

P)(I0〉+

I1〉)/

2量子“尺子E,

B,

T,

P量子溯源測(cè)量可溯源至?xí)r間：時(shí)間精度：

1秒/2千萬(wàn)年例如磁場(chǎng)探測(cè)：經(jīng)典技術(shù)靈敏度：

10?5

T量子技術(shù)靈敏度：

10?10

T能夠探測(cè)到單個(gè)原子傳感器穩(wěn)定性：經(jīng)典技術(shù)：

<

10年量子技術(shù)：

>

100年傳感器多為原子或分子量子傳感器對(duì)于物理量不僅能測(cè)得到，還得能得準(zhǔn)，更能測(cè)得穩(wěn)！量子測(cè)量的優(yōu)勢(shì)明顯超高穩(wěn)定超高靈敏11

電流測(cè)量溯源：

I

Ⅸye

BNV

ⅨΔf

電流I

→磁場(chǎng)BNV

→頻率f→時(shí)間t

時(shí)間精度：

誤差1秒/2000萬(wàn)年

能級(jí)隨磁場(chǎng)遵循塞曼效應(yīng)的線(xiàn)性關(guān)系

塞曼效應(yīng)可推廣至15T以上

電流測(cè)量理論上限超2000kA

材料屬性：

堅(jiān)硬、

耐溫、

耐腐蝕、

發(fā)光穩(wěn)定

性質(zhì)穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)1萬(wàn)年以上ΔfⅨ

ye

BNV

ⅨI光探測(cè)磁共振技術(shù)測(cè)量磁場(chǎng)信息量子能級(jí)在磁場(chǎng)中劈裂（塞曼效應(yīng)）固態(tài)晶體傳感材料（金剛石）量子測(cè)量的優(yōu)勢(shì)明顯

（舉個(gè)例子）

高

精

度

寬

量

程

高

穩(wěn)

定微波頻率（GHz）熒光強(qiáng)度（a.u.）Δf12超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）超導(dǎo)比特核自旋

電子自旋離子阱里德堡原子Rev.

Mod.

Phys.89,035002(2017)

13已有的量子測(cè)量系統(tǒng)超導(dǎo)線(xiàn)路中

性原子固態(tài)自旋冷原子熱原子量子測(cè)量體系測(cè)量物理量典型頻率響應(yīng)范圍熱原子磁場(chǎng)

，角度

，時(shí)間/頻率DC-GHz冷原子磁場(chǎng)

，加速度

，時(shí)間/頻率DC-GHz里德堡原子電場(chǎng)DC

，GHz離子阱電場(chǎng)

，力

，角度

，時(shí)間/頻率THz固態(tài)自旋磁場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角度DC-GHz超導(dǎo)線(xiàn)路磁場(chǎng)DC-GHz量子傳感器“八仙過(guò)海各顯神通”！

Rev.

Mod.

Phys.

89,

035002(2017)已有的量子測(cè)量系統(tǒng)14基于里德堡原子的局放檢測(cè)基于超導(dǎo)的量子電壓已有的量子傳感器在電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用案例PHYS.

REV.APPLIED24,014006

(2025)Springer,

Heidelberg

(2015)磁場(chǎng)+電流電場(chǎng)+電壓RemoteSens.

16(2),

226

(2024)基于原子磁力儀的海纜故障檢測(cè)基于金剛石NV色心的電流測(cè)量151.

量子傳感的發(fā)展背景和基本原理介紹2.固態(tài)自旋量子傳感器的研制與傳感方法3.固態(tài)自旋量子傳感器的應(yīng)用案例4.固態(tài)自旋量子傳感器的未來(lái)產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇與挑戰(zhàn)大綱16為什么選金剛石氮空位

（

NV）

色心

金剛石NV色心17材料屬性●堅(jiān)硬●耐溫●耐腐蝕●絕緣●無(wú)毒無(wú)害金剛石

，

自然界最佳的傳感材料之一量子屬性●穩(wěn)定發(fā)光

●相干性好

●

室溫工作

●簡(jiǎn)單讀取NV色心

，

自然界最佳的量子敏感單元之一金剛石氮空位

（

NV）

色心的獨(dú)特性質(zhì)

18高純度樣品T2*

>5微秒

金剛石NV色心—室溫下長(zhǎng)相干時(shí)間

制備:

自然方式

，人工(氮離子注入

，

…)

調(diào)控:光學(xué)

，微波

，

電磁場(chǎng)

，

…

測(cè)量:光學(xué)探測(cè)磁共振

相互作用:電場(chǎng)、

磁場(chǎng)、

溫度、

壓力

NV色心自旋量子傳感金剛石氮空位

（

NV）

色心的簡(jiǎn)要介紹

金剛石NV色心材料的自主制備19激光激發(fā)微波操控NV色心哈密頓量（能量方程）：H

=

D(T)S

+B

.S

+

E(Sx

Sy

+

Sy

Sx)T：溫度；

B：矢量磁場(chǎng)；

E:矢量電場(chǎng)或力Z2基于金剛石氮空位

（

NV）

色心的量子傳感原理

熒光信號(hào)讀取20能級(jí)共振頻探測(cè)

ye

≈

28MHz/mT

基于金剛石氮空位

（

NV）

色心的量子傳感原理

利用光學(xué)探測(cè)磁共振技術(shù)測(cè)量共振頻率溫度變化磁場(chǎng)變化環(huán)境變量導(dǎo)致躍遷頻率發(fā)生變化能級(jí)共振頻探測(cè)磁場(chǎng)-溫度同步解耦測(cè)量能級(jí)變化能級(jí)劈裂能級(jí)平移21微組裝集成2010

2016

2019

2024隨著金剛石量子傳感技術(shù)的發(fā)展

，結(jié)合成熟的半導(dǎo)體工藝

，金剛石傳感器會(huì)朝著芯片化方向發(fā)展。方法：CMOS+MEMS工藝優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定可靠、低功耗缺點(diǎn)：研究難度大、設(shè)計(jì)學(xué)科多金

剛

石

量

子

傳

感

器

的

發(fā)

展

—

更

加

集

成

的

金

剛

石

傳

感

器

件方法：搭建平臺(tái)、共聚焦系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：靈活性強(qiáng)、易拓展缺點(diǎn)：應(yīng)用推廣困難

，功耗大方法：多種器件堆疊集成優(yōu)點(diǎn)：便攜、多應(yīng)用場(chǎng)景缺點(diǎn)：一致性差、不穩(wěn)定MEMS芯片集成空間光路集成目標(biāo)：突破量子傳感理論方法目標(biāo)：突破量子傳感器可靠性目標(biāo)：突破量子傳感器性能性能突破方法突破工藝突破22提出光纖金剛石量子傳感器研制方案

優(yōu)點(diǎn)

高效率探測(cè)

穩(wěn)定性高

靈敏度高

易集成利用光纖取代物鏡以及部分空間光路Optics

letters41.3(2016):472-475尺寸：

10-500μm塊狀金剛石直徑：

10-500μm金剛石顆粒231

.

光纖金剛石量子傳感器—磁傳感

(

DC-10kHz)

光纖-金剛石磁傳感器

高純度單晶金剛石

，

自旋退相干時(shí)間

>

400ns

采用脈沖ODMR頻率跟蹤提高信噪比

磁場(chǎng)(DC-10kHz)探測(cè)靈敏度:103PT/Hz

，空間分辨力:200μm1.Photon.

Res.

10,2191-2201

(2022)2.Rev.Sci.

Instrum.

92,

044904

(2021)3.Opt.

Mater.

Express9,4634

(2019)焊縫樣品的漏磁掃描成像24Opticalfiber1mm光纖-金剛石量子傳感器

帶寬:4kHz

，靈敏度:

103PT/

Hz（左）隕石樣品光學(xué)放大圖與磁成像（右）偽彩圖應(yīng)用脈沖-ODMR金剛石應(yīng)用基于聚磁效應(yīng)的金剛石磁傳感器

通過(guò)聚磁效應(yīng)提升磁探測(cè)靈敏度

線(xiàn)性偏振的激光

，偏振方向垂直于金剛石的[111]晶向

磁場(chǎng)(直流)探測(cè)靈敏度:310fT/Hz

，磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)范圍：

180μT1.Diam.

Relat.

Mat.

139,110348

(2023)2.

Under

Review將磁力儀放置在距離軌道120m處1

.

光

纖

金

剛

石

量

子

傳

感

器

—

磁

傳

感(

聚

磁

效

應(yīng)

)

靈敏度:310fT/Hz

動(dòng)態(tài)范圍:

180μT激發(fā)光

丄

[111]磁場(chǎng)//

[111]高鐵運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)地下目標(biāo)物識(shí)別25全光纖-金剛石磁場(chǎng)傳感系統(tǒng)

應(yīng)用（采用多模光纖實(shí)現(xiàn)熒光的激發(fā)與收集）光纖-金剛石磁傳感器

采用動(dòng)力學(xué)解耦序列（XY8）

，提升磁探測(cè)靈敏度

磁場(chǎng)(交流

，

10kHz-10MHz)探測(cè)靈敏度:8PT/Hz

，空間分辨力:200μm2

.

光

纖

金

剛

石

量

子

傳

感

器

—

磁

傳

感(

1

0

kHz

-

1

0MHz)采用XY8動(dòng)力學(xué)去耦序列

帶寬：

100kHz-3MHz；靈敏度8PT/Hz1.Photonics.

Res.

12,

1250–1261

(2024).線(xiàn)圈周?chē)慕涣鞔艌?chǎng)分布26Rabi時(shí)域信號(hào)與微

波功率的關(guān)系3

.

光

纖

金

剛

石

量

子

傳

感

器

—

磁

傳

感(

1

0MHz

-

1

0GHz)

光纖-金剛石傳感器

高純度單晶金剛石

，

自旋縱向弛豫時(shí)間

>

3.5ms

磁場(chǎng)(交流

，

10MHz-10GHz)探測(cè)靈敏度:≈

40PT/Hz光纖金剛石探針Rabi探測(cè)用于S波段微波測(cè)量，實(shí)現(xiàn)40PT/Hz的探測(cè)靈敏度光纖-金剛石傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大體積自旋相干調(diào)控1.Photon.

Res.

10,2191-2201

(2022)應(yīng)用微波器件電磁分析27MEMS芯片集成2010

2016

2019

2024隨著金剛石量子傳感技術(shù)的發(fā)展

，結(jié)合成熟的半導(dǎo)體工藝

，金剛石傳感器會(huì)朝著芯片化方向發(fā)展。方法：CMOS+MEMS工藝優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定可靠、低功耗缺點(diǎn)：研究難度大、設(shè)計(jì)學(xué)科多金

剛

石

量

子

傳

感

器

的

發(fā)

展

—

更

加

集

成

的

金

剛

石

傳

感

器

件方法：搭建平臺(tái)、共聚焦系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：靈活性強(qiáng)、易拓展缺點(diǎn)：應(yīng)用推廣困難

，功耗大方法：多種器件堆疊集成優(yōu)點(diǎn)：便攜、多應(yīng)用場(chǎng)景缺點(diǎn)：一致性差、不穩(wěn)定空間光路集成微組裝集成金剛石量子傳感芯片目標(biāo)：突破量子傳感理論方法目標(biāo)：突破量子傳感器可靠性目標(biāo)：突破量子傳感器性能性能突破方法突破工藝突破28國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀MEMS器件MEMS-CMOS傳感器工藝類(lèi)型：65nmCMOS+MEMS器件功能：實(shí)現(xiàn)矢量磁場(chǎng)傳感預(yù)期指標(biāo)：1.靈敏度優(yōu)于1nT/Hz1/22.

敏感元件尺寸≤100mm2低功耗、

小體積、

高性能的量子傳感器是金剛石NV色心落地應(yīng)用的必然途徑！工藝類(lèi)型：65nmCMOS器件功能：微波源與信號(hào)處理代表團(tuán)隊(duì)：美國(guó)MIT、德國(guó)斯圖加特大學(xué)量子傳感器芯片化的挑戰(zhàn)：

器件集成導(dǎo)致性能下降

工藝可靠性需持續(xù)攻克工藝類(lèi)型：異質(zhì)異構(gòu)集成器件功能：熒光激發(fā)與探測(cè)代表團(tuán)隊(duì)：上海微系統(tǒng)所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)更加集成

、

可靠的金剛石傳感器件CMOS芯片本團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)MEMS器件CMOS芯片CMOS集成電路MEMS敏感元件29參數(shù)采用方法實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)測(cè)量量程上限共振頻率跟蹤≥50mT靈敏度(DC-kHz)聚磁+頻率跟蹤310fT/

Hz靈敏度(kHz-MHz)動(dòng)力學(xué)解耦8

PT/

Hz靈敏度(MHz-GHz)連續(xù)ODMR+Rabi40PT/

Hz空間分辨率CVD金剛石加工<200μm核心傳感器尺寸微組裝工藝<

3mm傳感器工作環(huán)境\室溫高靈敏度、

高可靠的金剛石磁傳感器為解決行業(yè)問(wèn)題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！

30高精度光纖-金剛石磁傳感器（國(guó)內(nèi)外性能指標(biāo)對(duì)比）總

結(jié)

—

傳

感

方

法

性

能

指

標(biāo)

對(duì)

比打破金剛石磁測(cè)量靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍之間的相互制約關(guān)系1.

量子傳感的發(fā)展背景和基本原理介紹2.固態(tài)自旋量子傳感器的研制與傳感方法3.固態(tài)自旋量子傳感器的應(yīng)用案例4.固態(tài)自旋量子傳感器的未來(lái)產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇與挑戰(zhàn)大綱311

.

金

剛

石

量

子

傳

感

器

—

通

用

化

金

剛

石

磁

傳

感

器

器件研制：

集成化金剛石磁傳感器發(fā)展趨勢(shì)

：更靈敏、

更集成、

更便捷、

更高效、

低功耗第二代金剛石磁力儀量程：

±

50Gs（矢量測(cè)磁）靈敏度：優(yōu)于1n/Hz采樣率：

1kHz功耗：

≤20W機(jī)箱體積：25*17*8cm3探頭體積：4.5*4.5*5cm3第一代金剛石磁力儀量程：

±

5Gs（矢量測(cè)磁）靈敏度：優(yōu)于10nT/Hz采樣率：

1kHz功耗：

100W機(jī)箱體積：

50*30*22cm3探頭體積：

10*10*10cm3第三代金剛石磁力儀量程：

±

50Gs（矢量測(cè)磁）敏感元件尺寸：

≤

10cm3功耗：

≤

10W靈敏度：優(yōu)于0.1nT/Hz采樣率：

100

Hz實(shí)驗(yàn)平臺(tái)磁力儀量程：

±

500Gs（矢量測(cè)磁）靈敏度：優(yōu)于100nT/Hz采樣率：

1kHz321

.

金

剛

石

量

子

傳

感

器

—

通

用

化

金

剛

石

磁

傳

感

器

緊湊型鋁合金散熱外殼工業(yè)級(jí)混裝信號(hào)連接器160

×90

×

45

mm3

抗干擾

柔性、

低損耗

peek材料封裝外殼103

×48

×

39

mm3

高集成度

高可靠性

參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)潔

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

數(shù)字鎖放輸入電壓噪聲≤10nV/Hz1/2全自動(dòng)化測(cè)量

跳頻時(shí)間≤100ns

激光功率穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.1%最長(zhǎng)可達(dá)5m體積小人機(jī)交互友好強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性支持多種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)高性能、

集成化、

低功耗電子學(xué)模塊可靠、

柔性、

長(zhǎng)度可定制的連接線(xiàn)纜多形態(tài)、

定制化的探頭設(shè)計(jì)用戶(hù)友好界面設(shè)計(jì)捷變頻微波源1

.

金

剛

石

量

子

傳

感

器

—

通

用

化

金

剛

石

磁

傳

感

器

f-

1f+1雙頻跟蹤f+1-

f-

1雙頻微波實(shí)現(xiàn)溫度-磁場(chǎng)同步測(cè)量f-

1f+1f-

1

+

f+1f+1-

f-

1大動(dòng)態(tài)范圍磁場(chǎng)測(cè)量使用熱溫槍對(duì)著金剛石探頭吹

，

改變探頭溫度注

：熱溫槍開(kāi)的時(shí)候會(huì)有磁場(chǎng)產(chǎn)生對(duì)ODMR8個(gè)共振峰進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，計(jì)算每個(gè)軸向上的磁場(chǎng)變化。矢量磁場(chǎng)測(cè)量由金剛石晶格坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)系

，得到矢量磁場(chǎng)信息。施加振幅為4G

，頻率為10Hz磁場(chǎng)

，測(cè)量矢量場(chǎng)施加振幅為12.25G

，頻率為10Hz的交流磁場(chǎng)磁測(cè)量靈敏度：

優(yōu)于100pT/Hz@400Hz施加振幅為3.1G

，頻率為10Hz的交流磁場(chǎng)溫度磁場(chǎng)f-

1

+

f+1霍爾磁場(chǎng)傳感器TMR磁場(chǎng)傳感器金剛石量子磁力儀（美國(guó)Q.ANT）金剛石量子磁力儀（中科大+國(guó)盛量子）傳感單元霍爾器件TMR器件金剛石NV色心金剛石NV色心靈敏度100nT10nT20pT/Hz1/2(2025E)100pT/Hz1/2空間分辨率≥

1

mm<300

μm<3mm<

200μm采樣率0.1

kHz10

kHz3

kHz10

kHz響應(yīng)時(shí)間≥

1

ms<1

μs<

100μs<10μs溫漂大極大無(wú)無(wú)矢量測(cè)量否否是是1

.

金

剛

石

量

子

傳

感

器

—

通

用

化

金

剛

石

磁

傳

感

器

金剛石量子磁傳感器優(yōu)勢(shì)：

高精度、

低溫漂、

高采樣率、

矢量全向測(cè)量35

2

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

原理：

電流測(cè)量→磁場(chǎng)測(cè)量→能級(jí)共振頻率變化（保證了電流測(cè)量的準(zhǔn)確性）方法：

光纖耦合式探頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距測(cè)量

，雙頻調(diào)控抑制溫漂

，分布式測(cè)量降低位形誤差結(jié)果：

保證實(shí)際應(yīng)用

，

量程1kA時(shí)

，精度可達(dá)0.05%

，且不受溫度干擾。1.

APL

Photonics

10,

036117

(2025)金剛石量子電流互感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

，分布式金剛石探頭+多通道信號(hào)調(diào)理36

2

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

電流測(cè)量量程突破1kA，實(shí)現(xiàn)0.05%的測(cè)量精度，較商用同電壓等級(jí)電流互感器5倍以上APL

Photonics

10,036117

(2025)37單峰頻率跟蹤算法

，存在溫漂單峰頻率跟蹤算法

，存在溫漂雙峰頻率跟蹤算法

，不存在溫漂雙峰頻率跟蹤算法

，溫度解耦金剛石量子電流互感器能夠抑制溫漂

，并且可以同步進(jìn)行溫度測(cè)量2

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用38傳感器量程/kA帶寬/kHz準(zhǔn)確度溫漂電磁互感器11000.02%有霍爾傳感器0.510.5%有磁阻傳感器0.110.1%有光纖互感器10010.2%有金剛石傳感器≥11.40.05%無(wú)2

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

①交流量子電流測(cè)量裝置研發(fā)（國(guó)盛量子+中科大+國(guó)網(wǎng)安徽共同完成）1.APL

Photonics

10,036117

(2025)目前金剛石量子電流互感器（國(guó)網(wǎng)安徽+中科大+國(guó)盛量子共同研發(fā)）

已在合肥掛網(wǎng)應(yīng)用驗(yàn)證392

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

①交流量子電流測(cè)量裝置研發(fā)（國(guó)盛量子+中科大+國(guó)網(wǎng)安徽共同完成）由西高院、蘇科院等權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了型式試驗(yàn)

，各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求402

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

①交流量子電流測(cè)量裝置研發(fā)（國(guó)盛量子+中科大+國(guó)網(wǎng)安徽共同完成）2022年

，

世界首款量子金剛石電流測(cè)量裝置在合肥110kV潛水路變電站掛網(wǎng)超一年2023年中國(guó)量子公司十大社會(huì)影響力事件（Quantum10系列）2

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

②特高壓直流電流測(cè)量裝置研發(fā)（國(guó)盛量子+中科大+國(guó)網(wǎng)安徽共同完成）雷電沖擊電壓仿真

，最大場(chǎng)強(qiáng)為2.93kV/mm

，符合要求操作沖擊電壓仿真

，最大場(chǎng)強(qiáng)為2.63kV/mm仿真模擬絕緣子設(shè)計(jì)二次機(jī)柜設(shè)計(jì)整體方案設(shè)計(jì)高壓器件裝配設(shè)計(jì)探頭安裝設(shè)計(jì)

均壓環(huán)設(shè)計(jì)

一次環(huán)設(shè)計(jì)

422

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

②特高壓直流電流測(cè)量裝置研發(fā)（國(guó)盛量子+中科大+國(guó)網(wǎng)安徽共同完成）絕緣子制造均壓環(huán)制造一次傳感環(huán)和二次機(jī)柜制造特高壓直流電流測(cè)量裝置樣機(jī)研制432

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

②特高壓直流電流測(cè)量裝置研發(fā)（國(guó)盛量子+中科大+國(guó)網(wǎng)安徽共同完成）電流范圍準(zhǔn)確度500A-5000A<

0.35%5000A

-6000A<

0.2%6000

-15000A<

3%額定電流：

5000A；準(zhǔn)確度等級(jí)：滿(mǎn)足0.2級(jí)442

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

②特高壓直流電流測(cè)量裝置研發(fā)（國(guó)盛量子+中科大+國(guó)網(wǎng)安徽共同完成）直流耐壓試驗(yàn)（濕）

雷電沖擊試驗(yàn)操作沖擊試驗(yàn)（濕）基本準(zhǔn)確度試驗(yàn)

溫度循環(huán)和濕熱試驗(yàn)取得CMA,CNAS資質(zhì)三方測(cè)試報(bào)告45直流耐壓試驗(yàn)（干）和局部放電試驗(yàn)2

.

金剛石量子磁傳感器—電力行業(yè)應(yīng)用

③持續(xù)迭代不同應(yīng)用場(chǎng)景下的量子電流互感器激光供能光纖準(zhǔn)確度等級(jí)：

0.1量程：

1200A準(zhǔn)確度等級(jí)：

0.1量程：

1200A準(zhǔn)確度等級(jí)：

0.01量程：

6000A46準(zhǔn)確度等級(jí)：

0.2S量程：

15000A22

,

交流電流互感器223

，交流電流互感器

224,直流數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)裝置

22

特高壓直流電流測(cè)量裝置數(shù)據(jù)光纖3

.

金剛石量子寬場(chǎng)磁成像

1.

高空間分辨率2.

光-熱-磁同步成像3.

毫米級(jí)別寬視場(chǎng)、

高靈敏4.

非侵入性

，非破壞性1.

形貌成像2.

電磁場(chǎng)成像3.

熱成像檢測(cè)內(nèi)容

核心優(yōu)勢(shì)高濃度淺層金剛石NV色心量子金剛石顯微鏡系統(tǒng)473

.

金剛石量子寬場(chǎng)磁成像—芯片檢測(cè)應(yīng)用芯片斷路缺陷定位某量子計(jì)算芯片內(nèi)部某處存在斷路

，無(wú)法確定具體的斷點(diǎn)位置。通過(guò)給芯片饋入射頻信號(hào)

，利用金剛石NV量子寬場(chǎng)磁顯微鏡測(cè)出芯片表面的微波場(chǎng)分布

，射頻信號(hào)在斷路點(diǎn)斷流

，很快定位了斷路缺陷的具體位置。12從通道1和2饋入微波信號(hào)（2.87GHZ

，30dbm）12100μm?

以大視場(chǎng)射頻信號(hào)分布直觀呈現(xiàn)缺陷位置

，檢測(cè)效率高?

且不信賴(lài)與良品的對(duì)照

，

直接定位缺陷位置。100μm3

.

金剛石量子寬場(chǎng)磁成像—芯片檢測(cè)應(yīng)用芯片短路缺陷定位熱點(diǎn)（LIT）

磁“熱點(diǎn)”?磁電流成像法對(duì)短路檢測(cè)非常有效

，通常短路電流都比較大

，在磁分布圖留下明顯的“熱點(diǎn)”10.50-0.5-1100μm產(chǎn)業(yè)化單位技術(shù)參數(shù)中科大+

國(guó)盛量子美國(guó)Quantum

Catalyzer德國(guó)QuantμmDiamonds

GmbH靈敏度2

μ

T

/

Hz

1

/

2

per

pixel@

1

μ

m<

5

μ

T

/

Hz

?@1

μ

m；

<

2

0

0

nT

/

Hz

?

@

1

0

μ

m1

0

μ

T

/

Hz

1

/

2

with

DC

(

clear

road

map

to1

nT

/

Hz

1

/

2

with

AC

)空間分辨率≤

0

.

4

μ

m≤

1

μ

mXY：

down

to

2

0

0

nm

(

standoff-

dependent

)

Z

：

down

to

1

μ

m

(

~

1

0

%

distance

to

layer

)頻率范圍DC/

2

.

0

-

3

.

4

GHzDC-

1

0

0

HzDC-

4

GHz

(

AC

)視場(chǎng)大小up

to1

0

mm

*

1

0

mm4

mm

*

4

mmup

to

4

mm

*

4

mm檢測(cè)效率場(chǎng)分布圖像輸出幀率≥

1

0

Hz/5

-

1

0

min

μ

tes

(

with

a

road

map

to

s

μ

b

-min

μ

te

)測(cè)磁范圍1

-

1

0

0

Gs≥

2

Gs/體積整機(jī)~

9

0

0

*

7

0

0

*

1

6

0

0

mm3~

顯微鏡3

3

0

*

4

9

3

*

5

6

4

mm3

~控制器4

5

0

*

4

5

0

*

1

8

0

mm3整機(jī)~

7

0

0

*

7

0

0

*

1

7

0

0

mm3

(

optical

table

)設(shè)備外觀3

.

金剛石量子寬場(chǎng)磁成像—芯片檢測(cè)應(yīng)用金剛石NV寬場(chǎng)磁成像設(shè)備性能指標(biāo)參數(shù)對(duì)比50定位技術(shù)基本原理空間分辨率2.5D/3D定位矢量成像主要適用的缺陷類(lèi)型芯片級(jí)/封裝級(jí)主要廠(chǎng)商微光顯微鏡EMMI/InGaAs光子發(fā)射1μm~2μm×/短路、漏電流芯片級(jí)封裝級(jí)濱松（日本）、SEMICAPS（新加坡）、

CheckpointTechnologies（美國(guó)）光誘導(dǎo)電阻變化OBIRCH熱阻效應(yīng)1μm~2μm×/短路、阻抗異常芯片級(jí)封裝級(jí)濱松（日本）、ThermoFisher（美國(guó)）、QFI（美國(guó)）、凌光紅外鎖相紅外熱成像LIT熱波傳輸3μm~5μm√/短路、漏電流芯片級(jí)封裝級(jí)太赫茲時(shí)域反射儀EOTPR時(shí)域反射sub-5μm√/開(kāi)路、短路芯片級(jí)封裝級(jí)TeraView（英國(guó)）、Advantest（日本）SQUID磁電流成像磁場(chǎng)成像1μm~2μm√單軸Z短路、漏電流、開(kāi)路、阻抗異常芯片級(jí)封裝級(jí)NeoceraMagma（美國(guó)）金剛石磁顯微鏡磁場(chǎng)成像0.4μm√三維XYZ短路、漏電流、開(kāi)路、阻抗異常芯片級(jí)封裝級(jí)中科大+國(guó)盛量子、美國(guó)Q-Cat、德國(guó)QuantμmDiamonds3

.

金剛石量子寬場(chǎng)磁成像—芯片檢測(cè)應(yīng)用針對(duì)芯片檢測(cè)應(yīng)用

，金剛石NV寬場(chǎng)磁成像與傳統(tǒng)技術(shù)及SQUID的對(duì)比金剛石NV寬場(chǎng)磁成像技術(shù)為先進(jìn)封裝芯片檢測(cè)提供一種全新的技術(shù)路線(xiàn)和解決方案！511.

量子傳感的發(fā)展背景和基本原理介紹2.固態(tài)自旋量子傳感器的研制與傳感方法3.固態(tài)自旋量子傳感器的應(yīng)用案例4.固態(tài)自旋量子傳感器的未來(lái)產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇與挑戰(zhàn)大綱521.

更高靈敏度

2.

更高分辨率

3.

更高集成化

金剛石量子傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展趨勢(shì)金剛石量子傳感器53金剛石量子傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1.更高靈敏5455航磁物探

技術(shù)封鎖

高靈敏度的磁力儀市場(chǎng)長(zhǎng)期被美國(guó)、

英國(guó)、

加拿大等國(guó)家壟斷。地磁導(dǎo)航、

能源勘探、

軍事探潛金剛石量子傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

海洋磁探測(cè)海底礦產(chǎn)資源勘探、

磁異常探測(cè)目前美國(guó)和加拿大均規(guī)定靈敏度優(yōu)于20pT的磁力儀對(duì)我國(guó)嚴(yán)格禁運(yùn)。未爆彈藥檢測(cè)、

考古遺址的非侵入式調(diào)查空間磁探測(cè)和天體磁測(cè)量搭載于航天器和衛(wèi)星

，磁場(chǎng)矢量和姿態(tài)同步探測(cè)主要用于地磁場(chǎng)演變及空間電流運(yùn)動(dòng)規(guī)律等科學(xué)研究1.更高靈敏——國(guó)家戰(zhàn)略科技發(fā)展需要地面磁探測(cè)磁傳感裝置金剛石量子傳感器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)