第68期“见微知著”培训课程：量子传感与精密测量

麦姆斯咨询　｜　2025-03-28至2025-03-30　｜　无锡新吴区

五、课程内容

课程一：光晶格原子钟

老师：中国科学院国家授时中心 研究员 常宏（点此查看老师简介）

原子钟（Atomic Clock）是一种通过测量原子内部能级跃迁所产生的特定频率来计量时间的精密时钟。由于原子内部的跃迁频率极为稳定且不受外部环境因素的影响，因此原子钟具有极高的精度和稳定性，成为国际时间和频率转换的基准。原子钟不但在科学研究领域有着重要的应用，而且已深入大众的日常生活，例如全球卫星导航系统和高速电子通信等。根据跃迁频率，原子钟可分为微波原子钟和光频原子钟。根据量子参考体系制备手段，光频原子钟可分为冷原子光钟和热原子光钟。在高准确度冷原子光钟里，根据量子参考体系的类型，又进一步可分为离子光频原子钟和光晶格原子钟。光晶格原子钟利用囚禁在光晶格中的大量中性原子的钟跃迁信号来修正本地光频振荡器（钟激光）的输出频率，使钟激光与冷原子参考体系的钟跃迁频率保持共振，并通过飞秒光学频率梳来测量钟激光的频率。经过20多年的发展，光晶格原子钟展示了优异的频率稳定度和不确定度，不仅成功地走出了实验室，还是重定义时间单位“秒”的有力候选者之一。本课程详解光晶格原子钟工作原理、性能指标及典型应用，综述地面基准光晶格原子钟、可搬运光晶格原子钟和空间光晶格原子钟的技术特点和研究进展。

课程提纲：

1. 原子钟概述；

2. 光晶格原子钟工作原理及应用领域；

3. 光晶格原子钟性能指标：稳定度、准确度等；

4. 地面基准光晶格原子钟；

5. 地面可搬运光晶格原子钟和空间光晶格原子钟；

6. 光晶格原子钟总结和展望。

课程二：基于离子阱系统的量子精密测量技术及应用

老师：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 研究员 冯芒（点此查看老师简介）

离子阱（Ion Trap）是一种利用电磁场将离子（通常采用带电原子）俘获和囚禁在一定范围内的装置。离子阱系统因其高精度控制、长相干时间、高灵活性、强适应性等特点，成为现代量子技术和精密测量的重要工具，是目前最有希望展现量子技术优越性的物理系统之一。通过精准操控势阱内稳定囚禁的离子的运动状态和自旋量子态，能够在原子层面上快速处理量子信息和准确测量各种物理量，也能获得外部电磁场的准确信息。相对于中性原子阱（例如磁光阱），离子阱的势能更大（通常多达数电子伏特）。同时，离子阱不依赖具体的离子能级结构，使其适用范围更广，不仅可用于多种物理量测量，还可作为实现量子计算机的物理系统之一。本课程首先介绍离子阱系统及其在量子精密测量方面的应用，然后重点讲授基于离子探针的电场/磁场/摩擦力/角速度测量，最后探讨量子精密测量产业化前景。

课程提纲：

1. 离子阱概念及离子阱系统原理；

2. 基于离子阱系统的量子精密测量；

3. 基于离子探针的交变电场和磁场精密探测；

4. 基于离子探针的摩擦力精密探测；

5. 基于离子量子态的陀螺仪；

6. 基于离子阱系统的量子精密测量产业化前景探讨。

课程三：基于固态色心的量子精密测量技术及应用

老师：北京航空航天大学 教授 袁珩（点此查看老师简介）

固态色心（Solid-State Color Centers）是一种存在于金刚石/钻石、碳化硅（SiC）等晶体中的点缺陷，能够稳定地捕获电子并具有良好的光学和自旋特性。其中，氮-空位（NV）色心是金刚石中普遍的一种发光缺陷，由氮原子（N）替代碳原子（C）+相邻空位（V）组成，具有稳定的荧光发射、超长的电子自旋相干时间、良好的可拓展性、成熟的微波操作技术以及简易的光学读出手段等优点，已经成为最具有前景的室温固态量子传感体系之一，并在多个精密测量领域得到了广泛应用，包括磁场、电场、温度、应力、惯性导航、光学成像等。展望未来，通过材料优化、量子操控技术提升、集成技术发展，金刚石NV色心有望推动量子精密测量产业的快速发展。本课程首先介绍基于固体色心的量子精密测量技术总体情况，然后针对金刚石NV色心体系进行详细讲解，涵盖基本理论、调控技术、精密测量技术及应用，最后总结技术现状并展望发展前景。

课程提纲：

1. 基于固体色心的量子精密测量技术概述；

2. 基于金刚石NV色心的量子精密测量基本理论；

3. 金刚石NV色心量子调控技术进展；

4. 金刚石NV色心量子精密测量技术及应用进展；

5. 基于固体色心的量子精密测量技术总结与展望。

课程四：集成化微型钻石量子传感器及应用

老师：中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员 陈浩（点此查看老师简介）

钻石，不仅可以作为珠宝装饰品，更是具有极高研究价值的新型量子材料。钻石氮-空位（NV）色心利用其在磁场中的量子顺磁共振效应及荧光辐射特性可以进行精密磁测量。钻石NV色心在常温下也具有稳定的量子态，可以在非制冷的室温下工作。同时，钻石量子磁传感器以其高空间分辨率、高灵敏度、高生物兼容性等技术优势，在近场微观磁共振、磁异常探测、电流测量、生命科学等领域具有重要的应用前景。小型化、集成化、便携化是钻石量子传感器取得实际应用的重要条件。近年来，中国科学院上海微系统与信息技术研究所武震宇、陈浩团队基于晶圆级MEMS工艺平台，利用标准微纳加工技术，制备出钻石量子磁传感器的核心：钻石芯片，并持续开展MEMS集成化钻石量子传感器研究与产业化，相关成果在Advanced Quantum Technology、ACS Photonics、Applied Physics Letters等期刊上发表了十余篇科研论文，申请和授权十余项发明专利。当前，在国家重点研发计划的支持下，正与南方电网、中国科学技术大学、西安西电高压开关公司等单位开展合作研究，研制可批量制备的、适用于我国特高压输电线路的精密量子传感器。本课程从钻石量子传感器工作原理出发，详解MEMS集成化微型钻石量子传感器设计、制造、调解、表征、应用，最后总结微型钻石量子传感器的产业化进展。

课程提纲：

1. 钻石量子传感器工作原理及应用前景；

2. 集成化微型钻石量子传感器设计与制造；

3. 集成化微型钻石量子传感器解调系统；

4. 基于集成化微型钻石量子传感器的闭环矢量磁场表征；

5. 基于集成化微型钻石量子传感器的高压电流测量；

6. 集成化微型钻石量子传感器产业化情况。

课程五：基于金刚石NV色心的固态磁传感器和陀螺仪

老师：中北大学 教授 马宗敏（点此查看老师简介）

金刚石氮-空位（NV）色心是一种固态单电子自旋体系，可以在室温下进行操控和读出，并保持较长的相干时间，在量子传感器领域（尤其是磁场和角速度测量）逐渐成为一个非常有前景的技术平台。在可扩展性和集成化方面，金刚石NV色心体系也具有优势：（1）可在单颗金刚石芯片上实现多个NV色心，以形成大规模传感网络，提升空间分辨率和测量灵敏度；（2）适用于芯片级微型传感器，可以与半导体微纳工艺兼容，推进量子传感器的产业化落地。基于金刚石NV色心的固态磁传感器的探测灵敏度可达皮特斯拉（pT）量级，在特定实验条件下甚至可达到飞特斯拉（fT）量级，能够精确测量极微弱的磁场信号。基于金刚石NV色心的固态陀螺仪的灵敏度超过传统的光纤陀螺仪（FOG）和MEMS陀螺仪，能够实现超高精度的角速度测量，并且无需机械旋转部件或复杂的光学腔，可以制成芯片级三轴量子陀螺仪，适用于微型惯性测量单元（IMU）。本课程首先概述基于金刚石NV色心的固态传感器，然后针对磁传感器和陀螺仪两类器件进行重点讲解，并介绍它们的实验平台和产业化情况，最后进行技术总结与未来展望。

课程提纲：

1. 基于金刚石NV色心的固态传感器概述；

2. 基于金刚石NV色心的固态磁传感器研究进展；

3. 基于金刚石NV色心的固态陀螺仪研究进展；

4. 基于金刚石NV色心的固态传感器实验平台；

5. 基于金刚石NV色心的固态传感器产业化情况；

6. 基于金刚石NV色心的固态传感器技术总结与展望。

课程六：基于金刚石NV色心的量子传感器开发及产业化

老师：安徽省国盛量子科技有限公司 首席技术官（CTO） 张少春（点此查看老师简介）

近些年来，随着对微观粒子的精确调控技术的发展，使得量子传感器得到了快速发展，利用量子效应可实现磁场、温度等物理量的精确测量，在灵敏度、量程和校准方面相较传统传感器优势明显。以金刚石氮-空位（NV）色心为代表的固态自旋体系具有小尺寸、高可靠性、长相干时间、强环境适应性等优点，是最具应用潜力的量子传感器之一，并且随着国际单位制迈入量子化时代，金刚石量子传感器的校准优势愈发明显。安徽省国盛量子科技有限公司（简称：国盛量子）是国内首家专注于量子工业测量的国家高新技术企业，开创性地将量子测量技术与工业实际需求相结合，推动固态常温量子传感器产品的研发和落地应用，实现高端量子传感设备的国产化。本课程从量子信息的发展时代背景出发，介绍金刚石NV色心作为固态自旋量子传感器的优势和应用场景，详解目前金刚石材料制备、量子传感方法、器件开发以及工程应用情况，最后从产业化的角度剖析量子传感器发展趋势与挑战。

课程提纲：

1. 金刚石量子传感的发展背景和基本原理介绍；

2. 金刚石量子材料的制备与性能表征；

3. 金刚石量子传感方法研究与实验验证；

4. 金刚石量子传感器的工程开发与产业化应用；

5. 金刚石量子传感器的未来产业化机遇与挑战。

课程七：仿生量子智能感知器件

老师：中北大学 教授 郭浩（点此查看老师简介）

仿生量子智能感知是一个融合了量子力学、仿生学以及传感技术的前沿研究领域，其核心目标是借助量子力学的原理和效应，模仿自然生物体的感知机制，以提高感知系统的性能和效率。仿生量子智能感知器件可以实现磁场、电场、温度、应变/应力、角速度等物理量的超高灵敏度探测以及多功能集成，有望在生物医疗、工业控制、环境监测、航空航天等应用领域取得突破，推动感知系统向更高精度、更高效率、更低功耗、更强适应性的方向发展，将会在多个行业推动技术革命。在小型化和集成化方面，基于金刚石NV色心的传感器集成制造是实现固态自旋体系量子传感器芯片化制造的主要技术途径。目前微纳集成主要技术途径包括：MEMS微纳加工、3D打印、CMOS集成、片上一体集成等技术。本课程从仿生智能感知机制出发，详细讲解量子智能感知器件原理、设计、制造、应用等知识，最后进行技术总结与未来展望。

课程提纲：

1. 量子效应驱动的仿生智能感知机制；

2. 固态自旋体系量子感知方法；

3. 仿生量子智能感知器件设计；

4. 量子智能感知器件集成制造；

5. 仿生量子智能感知器件优势及应用前景；

6. 仿生量子智能感知器件总结与展望。

课程八：量子光力学及其精密测量应用

老师：电子科技大学 教授 邓光伟（点此查看老师简介）

量子光力学是光学、力学和电子学等多个学科结合的新兴交叉研究领域，通过把光学腔或微波腔与机械谐振器（机械振子）相结合，形成腔光力系统并对光子和声子进行精密控制和转化，可用于实现对各种物理量的高灵敏度测量，也为研究固态量子系统提供了一个很好的载体平台。在腔光力系统中，量子规律可以在从纳米到厘米尺度、从微克到千克范围的物体运动中得到展示。近十多年，随着微纳加工工艺和冷却技术的进步，量子光力学实现了快速的发展，例如在基于超低噪声腔的室温量子光力学研究中取得了令人瞩目的成果，为量子传感与精密测量的发展开辟了新的道路。作为一种观察和控制宏观物体量子态的腔光力系统，其观测精度接近量子极限，这种测量微弱力和场的方法具有广阔的前景。本课程从量子光力学理论出发，重点讲解腔光力系统中声学量子态的探测与操控——这为进一步利用声学量子态进行微波到光波相干转换、构建固态量子换能器，以及实现腔光力量子传感器及精密测量应用奠定了基础。

课程提纲：

1. 谐振子量子化理论；

2. 腔光力系统中的辐射压力相互作用；

3. 腔光力系统精密测量的标准量子极限；

4. 腔光力系统中的机械模式量子态冷却与探测；

5. 利用量子压缩、光力纠缠突破标准量子极限；

6. 量子腔光力系统的精密测量应用：惯性导航、磁场传感、红外传感。

课程九：基于腔光力系统的高精度微惯性传感器：从机理到实现

老师：电子科技大学 教授 黄勇军（点此查看老师简介）

电容式MEMS惯性传感器已经获得广泛应用，从智能手机到自动驾驶汽车，但其在精度、灵敏度及稳定性等性能指标上受到制约。近年来，随着微纳加工技术的进步，微纳光腔以及微光机电系统（MOEMS）传感器快速发展。其中，微腔光力系统已经逐渐成为新兴微纳惯性传感的全新解决方案，可广泛用于微小位移、质量、加速度、引力波等物理量的测量。以基于科氏效应的微陀螺仪为例，其可将输入角速度转换为检测位移，而微腔光力系统对位移物理量具有极高的测量精度，这为设计实现高测量灵敏度及精度、高零偏稳定性、大动态范围、不易受电磁干扰的新型高精度微陀螺仪提供了一种新的思路。本课程详解基于腔光力系统的高精度微型传感器，从工作机理到工程实现，涵盖加速度计、陀螺仪、磁场传感器等，最后还会介绍量子增强型腔光力传感器，以及微型定位、导航和授时（Micro-PNT）系统。

课程提纲：

1. 腔光力系统工作机理；

2. 基于腔光力系统的高精度加速度计；

3. 基于腔光力系统的高精度陀螺仪；

4. 基于腔光力系统的高精度磁场传感器；

5. 基于腔光力系统的高稳定度微振荡器；

6. 量子增强型腔光力传感器及Micro-PNT系统。

课程十：光量子传感技术及其导航应用

老师：上海交通大学 副研究员 黄靖正（点此查看老师简介）

光量子传感技术利用光与物质的量子相互作用，结合量子叠加、纠缠、非破坏测量等特性，实现超高灵敏度和高精度测量。相比于固体系统（例如金刚石氮-空位（NV）色心）与原子系统（例如里德堡原子），光子系统具有相干时间长、抗干扰能力强、易于调控等优点，在精密测量任务中具有天然的优势。由于多数传感与测量任务都可以等效为光学相位的测量，因此，光量子精密测量的一类重要任务就是针对相位参数进行测量与估计。相比于传统传感器，光量子传感器能突破经典测量极限，能够在高精度导航、无卫星环境下的自主导航、深空探测等方面发挥关键作用。本课程从光量子传感技术机理出发，介绍基于弱测量方法的量子传感研究进展，深入讲解基于光量子传感技术的角速度测量（陀螺仪）及导航应用，最后进行技术总结与未来展望。

课程提纲：

1. 光量子传感技术机理；

2. 基于弱测量方法的光量子传感技术；

3. 基于光量子传感技术的角速度测量；

4. 基于光量子传感技术的导航应用；

5. 光量子传感技术总结与展望。

课程十一：高保真光子数可分辨超导单光子探测技术

老师：中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员 李浩（点此查看老师简介）

近几十年来，人们一直坚持对量子世界的探索，不断推进量子传感、量子通信、量子计算的理论体系构建和关键技术突破。随着基于量子力学的量子器件与技术发展，人类世界迎来了“第二次量子革命”的曙光。由于光子是最易产生、操控、传输及探测的量子态载体之一，因此光量子信息技术成为了量子信息领域的关键角色之一，同时也是科技强国的“重器”——世界发达国家非常重视的颠覆性技术。超导单光子探测器（SSPD）作为微观体系量子态检测和调控方面的核心器件，具有高时间分辨率、低暗计数率、高探测效率以及宽光谱响应等优点，在激光雷达（LiDAR）、光量子计算、远距离量子通信中均有应用。本课程综述单光子探测技术及超导单光子探测器研究进展，深入讲解高保真光子数可分辨超导单光子探测器关键技术，从设计与制造到测试与应用。

课程提纲：

1. 光量子信息及单光子探测技术；

2. 超导单光子探测器及研究进展；

3. 高保真光子数可分辨超导单光子探测器设计与制备；

4. 高保真光子数可分辨超导单光子探测器性能测试；

5. 超导单光子探测器在光量子信息领域的应用；

6. 超导单光子探测技术总结与展望。

课程十二：基于量子机器学习算法的量子传感

老师：上海交通大学 助理研究员 肖太龙（点此查看老师简介）

量子机器学习（Quantum Machine Learning，QML）是结合量子计算与机器学习的前沿交叉学科方向，旨在利用量子计算的特性来实现机器学习任务（例如数据分类、回归分析、模式识别）的优化，具有量子并行计算、指数级存储能力、量子优化加速等优点。将量子机器学习算法的引入量子传感领域，可以进一步增强传感器的数据处理能力，提高灵敏度和抗噪性，实现更高效的信号提取和模式识别。量子机器学习为量子关联成像/鬼成像（Ghost Imaging，GI）提供了新的优化方法，提升了采样效率、成像质量和抗噪能力，在量子雷达、遥感探测、生物成像等领域具有广阔的应用前景。本课程从量子计算和机器学习的基础知识出发，详细讲解基于量子机器学习算法的量子传感技术与应用。

课程提纲：

1. 量子计算进展；

2. 机器学习赋能量子信息技术；

3. 量子机器学习概念、算法及其优势；

4. 基于量子机器学习算法的量子传感；

5. 量子机器学习鬼成像与实际优势；

6. 基于量子机器学习算法的量子传感应用与展望。

六、培训报名及培训赞助咨询

报名咨询：请发送电子邮件至BISainan@MEMSConsulting.com，邮件题目格式为：报名+量子传感与精密测量+单位简称+人数。

培训赞助：请致电联系毕女士（18921125675），或麦姆斯咨询固话（0510-83481111）。

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联系人：毕女士
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E-mail：BISainan@MEMSConsulting.com