近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭光燦院士、孫方穩(wěn)教授等，聯(lián)合國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院、國(guó)盛量子、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等單位組成的“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在集成化固態(tài)自旋量子傳感器研究和應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。

研究團(tuán)隊(duì)基于金剛石氮-空位（NV）色心在國(guó)際上首次研制出一種量子電流互感器，在0-1000A量程內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)0.05%的交流幅值測(cè)量精度，并且能抑制電流測(cè)量中的溫度漂移。該量子電流互感器最終于110kV變電站成功掛網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了交流電的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了量子傳感在電力場(chǎng)景中的實(shí)用性。研究成果于3月19日以“High-voltage current sensing with nitrogen-vacancy centers in diamond”（利用金剛石NV色心進(jìn)行高壓電流的高精度量子測(cè)量）為題在國(guó)際物理學(xué)術(shù)期刊《APL Photonics》上發(fā)表，同時(shí)被期刊編輯選中為同期特色文章。 

1、集成化金剛石量子傳感器實(shí)現(xiàn)高壓大電流0.05%精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在電力系統(tǒng)中，高壓電流測(cè)量至關(guān)重要，其可靠性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到高壓電流模式控制、節(jié)能和電力保護(hù)。然而，隨著高壓或超高壓電網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展，電網(wǎng)的寬帶振蕩和諧波共振問(wèn)題日益嚴(yán)重，這些傳統(tǒng)測(cè)量方法難以在寬電流和溫度范圍內(nèi)滿足高精度測(cè)量的要求。金剛石NV色心展現(xiàn)出諸多卓越特性，使其在磁場(chǎng)傳感領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是磁場(chǎng)測(cè)量可被反演至NV色心能級(jí)共振頻率測(cè)量，使得金剛石傳感器在高精度電流測(cè)量方面頗具應(yīng)用前景。但是目前金剛石量子傳感器還面臨著集成化過(guò)程中的性能下降等問(wèn)題，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多限制。

朝向集成化量子傳感的目標(biāo)，孫方穩(wěn)教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展金剛石量子傳感器件的加工制備研究。團(tuán)隊(duì)利用微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，實(shí)現(xiàn)了塊狀高純度單晶金剛石的自主成長(zhǎng)。通過(guò)將塊狀的金剛石與光纖高效率耦合，實(shí)現(xiàn)了的溫度探測(cè)靈敏度，空間分辨率達(dá)百微米量級(jí)，成功應(yīng)用于芯片表面的溫度分布掃描探測(cè)[Review of Scientific Instruments 92，044904(2021)]。進(jìn)一步在金剛石表面鍍一層金屬反射膜，不僅可提升NV色心熒光的收集效率，同時(shí)也能夠提升激發(fā)效率，利用該光纖耦合金剛石量子探針對(duì)集成電路的電流分布特性進(jìn)行表征[Photonics Research 10, 2199(2022)]。針對(duì)光纖耦合金剛石中激發(fā)光強(qiáng)度弱、分布不均勻等問(wèn)題，采用指數(shù)函數(shù)擬合時(shí)間依賴的熒光輻射，提高對(duì)NV色心系綜量子態(tài)的讀取信噪比，通過(guò)XY8-N 動(dòng)態(tài)去耦量子調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的交流磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度[Photonics Research 12, 1250-1261 (2024)]。

在上述系列技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，為了解決電流測(cè)量難題，本研究工作采用光纖-金剛石傳感器進(jìn)行高壓電流測(cè)量，四個(gè)集成化金剛石量子傳感器均勻分布在磁屏蔽環(huán)中，其[100]晶向與交流磁場(chǎng)平行，以此提高信噪比。研究提出了在零偏置磁場(chǎng)下對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行倍頻轉(zhuǎn)換和加權(quán)平均的處理方法，該方法能夠重構(gòu)50Hz交流電的波形；同時(shí)，為了拓寬電流測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，采用共振頻率跟蹤方法，保持金剛石傳感器對(duì)不同大小電流導(dǎo)致磁場(chǎng)變化的敏感性；針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)溫度變化影響測(cè)量精度的問(wèn)題，通過(guò)雙頻量子控制方法可抑制溫度漂移；最后在0-1000A范圍內(nèi)進(jìn)行電流測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了0.05%的測(cè)量精度，非線性誤差為0.16%。

該成果最終應(yīng)用于安徽合肥110kV變電站的電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電路中單相電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該工作不僅攻克了金剛石量子傳感器的集成化關(guān)鍵技術(shù)，還推動(dòng)了量子傳感技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用落地。

論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的特任副研究員張少春，通訊作者為孫方穩(wěn)教授和陳向東副研究員。該工作得到了科技部、基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。

圖1：高壓大電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置及交流測(cè)量方法示意圖。

圖2：電流測(cè)量精度演示。

 圖3：金剛石量子電流互感器在合肥110kV變電站內(nèi)的掛網(wǎng)示范應(yīng)用。此外，1.6k樣本/秒的采樣率獲取到0.1s內(nèi)的數(shù)據(jù)，顯示出50Hz、幅值約300A的正弦波形。

2、主要研究人員

郭光燦，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，中國(guó)科學(xué)院院士，現(xiàn)任中國(guó)物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事量子光學(xué)、量子通信和量子計(jì)算的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在包括Nature子刊（13篇）、Phys. Rev. Lett（31篇）在內(nèi)的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文700多篇，他引超過(guò)10000次。培養(yǎng)博士80余人，其中5人榮獲全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)。

孫方穩(wěn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)教育專委會(huì)副主任委員。一直從事量子光學(xué)和量子信息理論和實(shí)驗(yàn)的研究。近年來(lái)，圍繞微納尺度量子傳感的原理和應(yīng)用開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)空間分辨率超分辨成像技術(shù)，并觀察到電磁場(chǎng)的超小超強(qiáng)局域新現(xiàn)象；實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率高靈敏量子傳感技術(shù)，發(fā)展了基于光纖系統(tǒng)的實(shí)用化量子傳感器。

張少春，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)博士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員，長(zhǎng)期從事基于固態(tài)自旋的量子精密測(cè)量技術(shù)研究和器件研制，發(fā)展了基于固態(tài)自旋的光纖量子傳感器，攻克了基于固態(tài)自旋的多參量同步傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度磁場(chǎng)、溫度、電磁波等物理量測(cè)量，研制了高精度量子電流傳感器、量子磁力儀以及量子成像裝置，多項(xiàng)成果在電力行業(yè)獲得重要應(yīng)用。

趙龍，博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任國(guó)網(wǎng)安徽電科院能源互聯(lián)網(wǎng)中心黨支部書(shū)記兼電力量子感知實(shí)驗(yàn)室主任。擔(dān)任安徽省科技評(píng)審專家、中國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)量子電學(xué)測(cè)量專委會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)電磁專委會(huì)委員等。長(zhǎng)期從事電力通信與傳感技術(shù)研究，首次將量子精密測(cè)量引入電力行業(yè)，擁有發(fā)明專利40余件，發(fā)表論文20余篇。獲國(guó)資委央企熠星大賽一等獎(jiǎng)、國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)等。

趙博文，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)博士，安徽省國(guó)盛量子科技有限公司創(chuàng)始人，董事長(zhǎng)、總經(jīng)理，量子精密測(cè)量高級(jí)工程師，中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)電磁專業(yè)委員會(huì)委員。2019年在國(guó)內(nèi)率先創(chuàng)辦了首家專注量子工業(yè)傳感技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司，長(zhǎng)期致力于固態(tài)自旋量子傳感器集成化工程化開(kāi)發(fā)工作，擁有發(fā)明專利37件，國(guó)際發(fā)明專利2件，帶領(lǐng)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)獲得全國(guó)博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽全國(guó)銅獎(jiǎng)、“雙創(chuàng)中國(guó)”全國(guó)優(yōu)秀獎(jiǎng)等。