1、量子精密測量行業賦能白皮書|技術|變革|產業|未來|賦能賦能賦能用 量 子 傳 感 賦 能 千 行 百 業量子精密測量是利用量子特性(能級躍遷、相干疊加、量子糾纏)獲得突破經典測量技術極限,開拓物理信息感知維度的新一代精密測量感知技術。隨著集成電路、生命健康、腦科學、空天科技、深地深海等科技前沿領域的飛速發展,以高精度、小型化、低成本為特點的量子精密測量技術逐步成熟。量子精密測量技術一方面有望在測量精度、靈敏度、分辨率等方面超越現有技術,另一方面可開發新的應用場景,成為新一代產業變革的底層技術,是量子信息技術下一個“離產業最近”的方向,或將率先實現大規模產業化應用。前言CONTENTS目錄01
2、02技術簡介Technology產業應用Industrial Application鉆石 NV 色心原子磁力計冷原子干涉里德堡原子原子鐘0103040607新能源半導體/集成電路生命科學醫療健康能源勘探航空/航天/安全基礎科研計量學091822314246505601技術簡介Technology01Technology技術簡介Nitrogen-Vacancy Center in Diamond鉆石 NV 色心A.核心技術指標鉆石中的 NV 色心是一種極具潛力的固態自旋體系,能夠作為從直流到吉赫茲頻段的磁場,以及電場、溫度、應力等物理量的量子精密測量探針。單個 NV 色心僅有原子級大小,能夠實現
3、單分子級別的磁共振探測。二維系綜 NV 色心陣列能夠在毫米級大視野內實現光學衍射極限分辨率的矢量磁場成像,靈敏度通常能到 nT Hz。體系綜 NV 色心能制成與原子磁力計和超導量子干涉儀類似的高靈敏探頭,矢量磁場靈敏度能到亞 pT Hz。由于良好的生物兼容性,含有 NV 色心的鉆石能在室溫大氣環境下進入生物系統,實現對生物體疾病相關生命活動的原位檢測。而且由于鉆石的穩定性,NV色心探針對于環境容忍度極高,能兼容極低溫到高溫、高壓、強磁場、強輻射等極端環境。NV 色心原理圖02B.核心工藝通常研究人員使用高溫高壓法或化學氣相沉積法制備高純度的鉆石基底,通過離子注入在鉆石內部產生 NV 色心,或通
4、過化學氣相沉積法進行氮摻雜的外延生長,在鉆石基底上產生含 NV 色心的生長層。鉆石上的微納加工工藝與半導體領域硅基材料的加工工藝類似,電子束刻蝕、聚焦離子束、激光切割等工藝均能很好地用于鉆石的微納加工。為了更有效地利用 NV 色心,可在鉆石上制備包含 NV 色心的固體浸沒透鏡、納米柱陣列等光波導結構。而且,納米柱可以替換原子力顯微鏡探針的針尖,實現納米級分辨率的掃描磁場成像。為了更好地使用 NV 色心進行探測,研究人員發展了一系列量子操控技術。例如通過動力學解耦序列、自旋回波序列等方式可延長 NV 色心的相干時間;通過重復讀出序列、自旋-電荷態轉換讀出等方式可提升 NV 色心讀出保真度。同時他
5、們也發展了如任意波形發生器、任意序列發生器、鎖相放大器等高速電子學器件,用于操控 NV 色心,實現量子精密測量。鉆石納米柱探針掃描電鏡圖中國科學技術大學微納加工平臺圖片來源:http:/ T),是地磁場的 1/1012(50 T),測量靈敏度高于經典磁力計 100 倍以上,是目前最為靈敏的磁場測量手段之一,并且具有非低溫工作、易于小型化、低功耗等優點。堿金屬及原子能級結構。a.堿金屬原子氣室。b.法拉第磁致旋光效應。c.堿金屬銣原子能級結構圖片來源:江敏的基于高靈敏度原子磁力計的超低場核磁共振研究 (b)、(c)Atomic Magnetometer原子磁力計04基于冷原子的物質波干涉的技術原
6、理及裝置示意圖圖片來源:ESA-Cold atom interferometry experiment(上)圖片來源:ESA-New Cold Atom Interferometry Vacuum Chamber Benefits Earth Observation Missions(左下)圖片來源:MD Lachmann et al.,Ultracold atom interferometry in space.Nature,2021.(右下)冷原子干涉是基于原子的物質波干涉儀的量子精密測量方案,主要原理是通過激光調控技術實現量子態的制備和操控,通過相位信息讀取并經探測器捕捉光信號轉化為電信
7、號實現量子態讀出。近年,冷原子干涉技術路線隨著基于激光冷卻、磁光阱、腔 QED 等技術的進展逐漸升溫起來,其優勢在于降低了與速度相關的頻移,減速(或被囚禁)的原子可以被長時間觀測,從而提高了測量精度。目前主要的應用場景是對重力場和其他慣性力場進行精確的測量,構建具有高精度、零偏移等性能的重力儀及陀螺儀等。在絕對重力測量方面,實驗室靈敏度指標已經突破 0.001 Gal(10-12 g/Hz),基于冷原子技術集成的工程樣機已經達到Gal(10-9 g/Hz)級別。在重力梯度測量方面,實驗室靈敏度指標已達到 1 E(10-9/s2),工程樣機指標達到 10 E。Cold Atom Interfer
8、ence冷原子干涉05Technology技術簡介目前室內設備級(大體積固定式)的冷原子重力儀裝置研發成果較多,未來隨著芯片級原子囚禁技術、微型真空腔技術的成熟,低成本、小型化的便攜式原子重力儀或將在民用級導航領域規?;茝V?;?MEMS 技術將電場、磁場和光場控制技術進行集成,可實現芯片級的原子囚禁、冷卻、導引、分束等操控,目前已實現在數百微米尺寸光學表面上,在 35 K 溫度下制備超過百個冷原子芯片的驗證方案。用于小型化冷原子系統的微型真空腔圖片來源:Cold atom gravimeter06電磁誘導透明Electromagnetically induced transparency(
9、EIT)用于探測極弱電場信號的里德堡原子氣室及探測光路系統里德堡原子具有大極化率、低場電離閾值和大電偶極矩的特性,對外部電磁場十分敏感。利用里德堡原子的量子干涉效應測量微波電場強度的靈敏度遠高于傳統采用偶極天線測量微波電場的靈敏度,在應用方向上也發展了原子微波電場計和原子微波磁場計這兩大分支。例如,基于里德堡原子的微波測量靈敏度可達nVcm-1/Hz),電場靈敏度可達數百 pV/cm。Rydberg Atom里德堡原子里德堡原子測量方案有幾點優勢。其一,可以溯源到標準物理量,不需要額外校準;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
10、可以實現對微波電場偏振方向的測量,實現亞波長和近場區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1 500 GHz 超寬頻段范圍內微波電場強度的測量。原子氣體光電探測器07Technology技術簡介隨著激光冷卻原子技術的發展,利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高。冷原子鐘是通過降低原子溫度,使原子能級躍遷頻率更少地受到外界干擾,從而實現更高精度的時間基準頻率的測量。目前,最準確的原子鐘是將原子冷卻到接近絕對零度,用激光減慢原子熱運動,并在充滿微波的空腔對原子進行探測,對這些幾乎不動的原子進行測量,結果會更加準確。地面上精確度最高的冷原子噴泉鐘的誤差已經縮小到
11、1 秒/3 億年,更高精度的冷原子光鐘也在飛速發展中。比如,NIST-F1 原子鐘,它是美國的主要時間和頻率標準之一。冷原子鐘技術發展的下一步,是走向空間冷原子鐘。與地面冷原子鐘不同,空間冷原子鐘主要利用了空間的微重力環境??茖W家們預計,在微重力環境下所獲得的拉姆齊條紋譜線線寬可達 0.1 Hz,比地面冷原子噴泉鐘譜線窄一個數量級,從而可以獲得更高精度的原子鐘信號。Atomic Clock原子鐘空間冷原子囚禁裝置圖片來源:網絡0802產業應用Industrial Application09Industrial Application產業應用New Energy新能源磁雜痕檢測行業痛點:鋰電池生
12、產中,原材料的磁性雜質含量是影響電池狀態性能以及健康狀態的重要因素,因此,對鋰電池原料中磁性雜質含量的檢測要求十分嚴格(行業標準在 PPM 級別)。目前產線上僅依靠電磁體裝置進行除雜處理,并通過抽樣方式進行磁雜定量。具體為:先用磁棒吸取漿料中的磁性雜質,然后刮下來溶解,用發射光譜儀(ICP)的方法測定其含量。然而這種質控方法耗時長(樣品處理+測試需要小時級別),過程繁瑣,并且無法實現在線全檢,導致不同批次生產的電池一致性難以滿足更高要求。A.鋰電池/儲能漿料除磁雜裝置示意圖圖片來源:網絡A去鐵粉磁鐵排鐵磁鐵10賦能價值:基于量子精密測量技術高靈敏度、非入侵、非接觸方式的磁場測量能力,并結合多級
13、電磁除雜裝置,可實現在線磁性雜質含量檢測與去除,提高鋰電池生產一致性。目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年DLG 德朗鋰電池生產流程圖片來源:網絡11Industrial Application產業應用目標市場預計落地時間A.鋰電池/儲能鋰電池漏電流檢測行業痛點:隨著應用需求發展,各行業對鋰電池的性能要求也在不斷提高。目前衡量電池漏電流狀態的方法是測量電池自放電率。該方法通常需要花費幾周時間,極大增加了時間成本和倉儲成本,嚴重影響了產品的生產和上市進度。賦能價值:基于量子精密測量技術,以非破壞性和非接觸的方式表征鋰電池漏電流產生的磁場特
14、征,進而判斷出鋰電池的自放電狀態,有望將檢測時間縮短至分鐘量級,可極大提高鋰電池缺陷狀態分析的效率。整套設備可以進一步兼容至鋰電池生產線,做到“即產即檢”。5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年A動力電池缺陷在線檢測系統12高精度 BMS 系統行業痛點:現代的新能源汽車大量使用鋰電池作為儲能設備,電池管理系統(BMS)是關鍵技術之一。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,電流傳感器精度的進一步提升可以滿足下一階段 BMS 系統的需求。賦能價值:基于量子精密測量的電流傳感器可以精確測量電
15、池的工作電流,提升BMS 對電池剩余電量的管理精度,提升有效續航,改善汽車的各項指標。目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年新能源汽車 BMS 系統圖片來源:網絡A.鋰電池/儲能A13Industrial Application產業應用儲能裝置健康診斷行業痛點:儲能電池管理系統(BMS)是通過電子電路、軟件獲取儲能電池系統的電性能參數(電壓、電流、溫度、阻抗等),實現儲能電池的 SOC、SOE、SOH、SOP等狀態的計算,同時對電池系統進行分段控制、運行保護、均衡管控、熱管理、故障告警等控制。隨著電池儲能技術的大范圍推廣,需要對在役儲能電
16、池堆的安全狀態進行更高效準確的評估。賦能價值:基于量子精密測量技術研究儲能電池不同狀態下的電場、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模型,進一步構建信號安全判定模型,有望在大容量儲能裝置上實現非接觸實時安全狀態監測。目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年A.鋰電池/儲能A14行業痛點:光伏設備可將取之不盡、用之不竭的太陽能轉化為電能,在改善能源結構、保護生態環境、應對氣候變化、實現可持續發展中具有重要意義。光伏技術的進步在很大程度上依賴表征光伏材料和器件特性的新技術發展。影響光伏
17、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,解析器件內部電流的空間分布是一種直觀高效的評估方式。賦能價值:基于量子精密測量技術能夠實現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,同時允許光激發待測光伏組件,有望為提升光伏器件性能和穩定性提供一種高效的分析工具。B.光伏器件檢測B15Industrial Application產業應用目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100
18、億6 10 年16行業痛點:與傳統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。而且核聚變產物是氦氣,不會伴隨放射性核廢料。故聚變能是一種清潔、高效的新型能源,各國均在緊鑼密鼓地研究可控核聚變技術。托卡馬克聚變裝置是公認的探索和解決未來聚變反應堆工程和物理問題最有效的途徑之一。裝置中聚變等離子體優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部的極端輻射、高溫、高磁場環境下穩定工作。賦能價值:基于量子精密測量技術的磁力計能夠在高溫、高壓、強輻射環境下正常工作,有望為托卡馬克裝置和其他極端環境下的磁場裝置提供診斷能力。C.核聚變裝置磁場監測C17Industri
19、al Application產業應用目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年18Semiconductors/IC半導體/集成電路行業痛點:磁阻式隨機存儲器(MRAM)是一種以磁性隧道結為單元的新型存儲器技術。MRAM兼具動態RAM的密度、靜態RAM的速度和閃存的非易失性等特性,有望成為下一代新型存儲器。為了在實際應用中集成納米尺寸的磁性隧道結,必須發展納米磁場表征技術。鐵磁性納米結構表征的主要挑戰之一是需要測量單個納米磁結構產生的磁場,然而單個納米結構輸出的磁信號往往小于大多數傳統磁力計檢測下限。此外,測量大陣列式的納米磁性結構需要復雜且
20、高成本的前處理工藝,最終測得的信號也可能存在統計誤差,無法準確表征單個納米磁性結構的特性。A.磁阻式隨機存儲器產線質控A19Industrial Application產業應用目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年賦能價值:基于量子精密測量的磁成像技術,有望檢測單個納米磁性結構的磁場分布,結合變化的外加磁場,能夠測量納米元件磁性反轉特性。該技術能夠實現定量、無損的納米尺度材料磁場檢測,有潛力成為表征 MRAM 中納米磁性結構的常用手段。20行業痛點:隨著半導體工業的發展,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
21、單元和器件,失效分析和錯誤定位也變得愈發困難。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、組裝層或層與層之間的互連,對這些失效位點的檢測是一個重大挑戰。傳統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的場景適配性不足且設備昂貴,并且需要一定透光性,無法滿足三維芯片檢測的需求。賦能價值:基于量子精密測量原理的失效分析技術,可以探測芯片不同層以及層間電流的分布,也可以重構單個 PN 節載流子的密度分布。更進一步,該技術能夠探測熱態芯片表面的溫度分布,重構器件內部電場信息,實現多物理場成像,進而定位芯片失效位點。因此,量子精密測量技術可
22、用于芯片設計和研發,提升芯片品質。B.芯片電流成像B量子鉆石顯微鏡原理圖圖片來源:SM Oliver et al.,Vector magnetic current imaging of an 8 nm processnode chip and 3D current distributions using the quantum diamond microscope.arXiv,2022.21Industrial Application產業應用目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年22Life Sciences生命科學神經元細胞磁成像行業痛
23、點:在微觀尺度下感知神經元的電生理活動,對于理解退神經疾病的發病機理和早期治療有著重要的研究價值,其中,發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、微觀地記錄神經元細胞電活動的感知技術至關重要?,F有的電測量因侵入式(電極接觸以及電敏感材料)會對組織產生損害。磁測量技術大多以粗略的空間或時間分辨率進行局部的信號采集,這些探測技術不能有效得提供單個神經元的空間分辨率信息。賦能價值:基于量子精密測量技術,通過軸突中離子電流引起的生物磁場變化的檢測,可實現對神經元電信號的被動、顯微記錄,而不需要直接的樣品侵入式接觸。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
24、,從而實現對神經元磁場的長時間高分辨檢測。并達到亞毫秒的時間分辨率。A.電生理A量子傳感器檢測小鼠胼胝體軸突電信號圖片來源:JF Barry et al.,Optical magnetic detection of single-neuron action potentials using quantum defects in diamond.PNAS,2016.23Industrial Application產業應用細胞離子通道磁成像行業痛點: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組成的動態變化決定了所有細胞內外的相互作用。常規檢測方法通常缺乏納米級
25、細節的靈敏度和精度。賦能價值:基于量子精密測量的新型電信號成像技術,可以對細胞間局部環境的電荷以及交界面連接組織的電信號動態變化進行成像。如從細胞膜中的單離子通道開始,檢測細胞膜、細胞外界面和連接處以及細胞內界面的組分系統。A目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年細胞膜內外的生物信息傳感成像圖片來源:https:/qubbe.uchicago.edu/research/translation.html24小系綜核磁行業痛點:代謝組學是研究關于生物體被擾動后(如基因改變或環境變化后)其內源性代謝物質種類、數量及其變化規律的科學。其研究方式通
26、常采用氣相/液相色譜-質譜聯用(LC-MS)、核磁共振波譜(NMR)等先進分析檢測技術結合模式識別和專家系統等計算分析方法。但針對難以離子化的物質,質譜手段難以觸達。NMR 具有高重復性的特點,但是其低靈敏度的技術瓶頸會導致低豐度樣品無法鑒別。賦能價值:基于量子精密測量的檢測技術可以與質譜聯用,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構信息,進一步進行質譜定量分析的流程,可實現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量分析,重復再現性好、靈敏度高。B.代謝組學B目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年與 LC、C
27、E 等色譜技術聯用的小系綜核磁分析系統圖片來源:專利用于代謝組學樣品成分檢測的方法25Industrial Application產業應用原位溫度測量行業痛點:溫度敏感熒光材料被廣泛開發和應用于非接觸式細胞內和體內溫度監測?,F有的發光納米測溫技術測溫范圍窄,大多數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激進行局部加熱以改變外部介質的溫度來驗證其功能。賦能價值:量子精密測量基于 NV 色心的光學和自旋特性,對小尺度的溫度波動極其敏感。與傳統方法相比,傳感器的空間尺度覆蓋納米到微米,且鉆石材料的生物相容性良好,可實現單細胞內的原位測量。C.單細胞
28、組學C秀麗隱桿線蟲成蟲在藥物治療下的溫度探測圖片來源:M Fujiwara et.al.,Diamond quantum thermometry:From foundations to applications.Nanotechnology,2021.26單細胞核磁共振成像行業痛點:實現單個細胞的核磁共振成像(MRI)測量將會為細胞的組學研究帶來新的分析維度?;趥鹘y的核自旋成像方法受制于電測量的靈敏度限制,其空間分辨率止步于 1 微米尺度。為了突破此瓶頸,業界開發了基于超導量子干涉儀或者磁共振力顯微鏡的技術,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境的復雜系統,一定程度上限
29、制了納米級別的單細胞 MRI 的應用推廣。賦能價值:結合了鉆石 NV 色心探針的高靈敏度及納米位移控制下高空間分辨率的特性,量子精密測量技術可在室溫下實現單細胞原位的鐵蛋白磁性自旋成像以及磁共振-電子顯微鏡關聯成像,分辨率可達 10 nm。CNV 掃描鐵蛋白磁場成像結果圖片來源:PF Wang et al.,Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell,Science Advances,2019.27Industrial Application產業應用細胞力顯微鏡行業痛點:生物膜的機械特性是調節整個細胞體完整性的首要生物物理特
30、性。使用原子力顯微鏡(AFM)檢測時,由于壓痕尖端和材料之間的局部接觸信息不清晰,會導致無法建模,難以將數據與細胞力學特性聯系起來。賦能價值:使用量子精密測量技術來繪制 AFM 壓痕引起的固定細胞的非局部變形,無須獲取局部接觸的詳細內容,即可觀察到細胞上的彈性和毛細現象之間的競爭。C目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年通過納米金剛石(NDs)旋轉傳感同時評估細胞表面/次表面的毛細管現象和彈性圖片來源:Y Cui et al.,Measurement of single-cell elasticity by nanodiamond-sen
31、sing of non-local deformation.arXiv,2021.28納米鉆石顆粒行業痛點: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、單細胞檢測靈敏度,并允許在任何解剖位置定量細胞數量的能力。盡管 X 射線、磁共振、正電子發射、伽馬發射和基于超聲的方式已經實現了體內移植干細胞的非侵入性成像,但用這些方法在細胞層面均存在不同的問題和困難。賦能價值:熒光納米鉆石(FND)具有高度的生物相容性和完美的光穩定性。自2000 年以來,一直被用作短期或長期分析的熒光探針。FND 可以在亞細胞及細胞尺度使用,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境的高對比度去追蹤
32、細胞內過程,也可以追蹤治療化合物或器官中全部細胞的活動過程。主要應用場景為胞內、分子過程傳感和用于治療或診斷目的生物體長期示蹤物。D.納米鉆石生物成像D尺寸約為 46 nm 的熒光納米金剛石(FND)在HeLa 細胞中的定位圖片來源:O Faklaris et al.,Photoluminescent diamond nanoparticles for cell labeling:study of the uptake mechanism in mammalian cells.ACS Nano,2009.(左)豬組織中 FND 標記的間充質干細胞(MSC)的熒光成像圖片來源:LJ Su et
33、al.,Fluorescent nanodiamonds enable quantitative tracking of human mesenchymal stem cells in miniature pigs.Scientific Reports,2017.(右)目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年29Industrial Application產業應用行業痛點:帶有超導磁體的高場 NMR 譜儀很昂貴,需要持續進行低溫維護,并且無法移動;高場核磁共振強磁體往往存在嚴重的磁場不均勻性,限制了 NMR 的分辨率。因此,傳統的 NMR
34、需要復雜的系統以產生空間均勻的磁場。賦能價值:NMR 的過程分為極化、編碼和檢測。在傳統的高場 NMR 中,三個階段發生在同一空間區域,而在低場/零場核磁共振波譜(ZULF NMR)中,這些過程可以在空間上分開,提升了檢測手段的靈活性。ZULF NMR 實驗可以使用永磁體陣列,不需要超導磁體,并且可以配合超極化技術使極化效率遠超傳統熱極化手段。ZULF 已經發展到使用亞 T 甚至零場的工作模式,具有更高的磁場均勻性和譜分辨率,便宜便攜,可以原位測量。ZULF NMR已經在各種領域得到應用,包括材料科學、量子信息處理、基于 NMR 的量子設備和基礎物理學實驗中。E.低場/零場核磁共振E原子磁力計
35、構建的便攜式 ZULF NMR 譜儀,用于生物小分子的低成本 NMR 譜測量圖片來源:P Put et al.,Zero-to UltralowField NMR spectroscopy of small biomolecules.Anal.Chem.,2020.30目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年低場下原子磁力計構成的 MRI圖片來源:C Papadelisetal.,Current and emerging potential for magnetoencephalography in pediatric epilepsy.J
36、ournalofPediatricEpilepsy,2013.31Industrial Application產業應用行業痛點:與疾病發生、發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、藥物篩選等生物醫學領域的重大需求。常規的免疫檢測(例如化學發光)受限于儀器檢測靈敏度低、檢測樣本復雜、背景信號干擾多等原因,無法滿足在神經、腫瘤、心肌等領域的極低豐度標志物的高效、高靈敏度檢測。賦能價值:基于量子精密測量的檢測技術具有高信噪比、高通量、均相免洗等優勢,可通過磁性標簽對標記的生物標志物靶點進行數字化讀出,實現簡單快速的蛋白質超靈敏檢測。該檢測技術可應用于神經、腫瘤、免疫、心
37、血管、炎癥等多個有低豐度檢測需求的領域,如疾病機理的挖掘、早期診斷、藥物發現以及療效的判斷?;诹孔泳軠y量技術可以對微米級磁珠進行定位和定量檢測,實現特異性細胞的區分,從而達到對循環腫瘤細胞的精確定量,這是一種潛在的新型臨床診斷方法。A.免疫檢測AHealth Care醫療健康阿爾茨海默患者大腦中 淀粉樣蛋白的異常沉積圖片來源:https:/www.nih.gov/32目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年免疫檢測寬場磁成像裝置基于 NV 色心的量子磁傳感器磁場信號圖33Industrial Application產業應用行業痛點:PO
38、CT 是體外診斷器械(IVD)的一個細分領域。其憑借便捷、快速的優勢,可在患者身邊快速取得診斷結果。側向層析技術(LFA)是 POCT 廣泛使用的方式之一,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標志物檢測能力差,因此應用場景受限。賦能價值:納米鉆石具有高亮度、選擇性調制的特性,可以替換傳統 LFA 中的熒光分子、膠體金、上轉換納米顆粒等,作為新型的標記物,具備實現低背景、極高靈敏度的快速檢測能力。B.側向層析 POCTB在 LFA 中使用 FND 的示意圖34利用 LFA 上 FND 的生物素-親和素結合表征檢測的基本極限圖片來源:BS Miller et al.,Spin-
39、enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics.Nature,2020.目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年35Industrial Application產業應用行業痛點:當前心血管類疾病臨床需求主要包括心肌缺血功能評估、先心病早期診斷等。在心肌缺血功能評估方面,由于 ECG 靈敏度有限,FFR/QFR/SPECT 等有創、有輻射,因此缺乏早期、高靈敏的安全無創手段;在先心病的早期診斷方面,主要通過超聲來進行,以結構性為主,在推斷功能方面手段有限,缺乏功能學
40、檢測途徑。心磁圖(MCG)是利用極高靈敏磁探測器檢測人體心臟磁場信號進行分析的功能成像方法,是傳統影像學 MRI、CT 等技術的重要補充。心磁圖儀檢測完全被動、無創、無接觸、無輻射,理論上一切可以改變磁場的心臟疾病都可以由心磁圖儀所檢測?;诔瑢Я孔痈缮鎯x(SQUID)的技術路線成熟,但是儀器體積大、成本高,需要搭配液氦使用;基于線圈的技術簡單便捷,但信號較差。賦能價值:基于量子精密測量技術的心磁設備,可達到傳統超導技術級別的靈敏度,并且可在室溫下操作,能夠小型化,可穿戴使用,有巨大的商業化臨床應用前景。C.心磁成像儀C基于 NV 色心的科研用心磁圖儀圖片來源:K Arai et al.,Mi
41、llimetre-scale magnetocardiography of living rats with thoracotomy.Communications Physics,2022.36目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年胎兒心磁圖儀診斷圖片來源:https:/ OPM 的成人心磁診斷37Industrial Application產業應用行業痛點:對阿爾茨海默癥、帕金森或癲癇等神經性疾病患者的大腦活動進行成像,是研究腦/神經疾病機理、臨床診斷、治療等的有力工具。當前的技術多為侵入式,且價格高昂,需要患者行為上高度配合以避免大腦
42、活動的非功能性改變。腦磁圖(MEG)是一種通過分析神經元活動產生的有效電流偶極子源,來探測大腦微弱磁場,進而表征大腦活動的方法?;诔瑢Я孔痈缮鎯x SQUID的 MEG 傳感器較早進行了該方向的研究,但由于設備需要低溫和磁隔離環境,成本高昂,并不便于大規模商業應用。賦能價值:量子精密測量技術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。未來結合MEMS 工藝制備的多通道生物磁傳感方案,可開發出穿戴式腦磁
43、傳感設備,或成為下一代非入侵腦機接口技術路線。D.腦磁傳感D基于 serf 傳感器的穿戴式腦磁設備圖片來源:https:/ 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年室溫版可穿戴式腦磁傳感裝置,用于實時解讀動態腦電磁波信息圖片來源:https:/ Papadelisetal.,Current and emerging potential for magnetoencephalography in pediatric epilepsy.JournalofPediatricEpilepsy,2013.(下)39Industrial Application產業應用目標市場
44、預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年行業痛點:在腦瘤切除等手術過程中,定位健康組織與腫瘤之間的邊界仍然是一個巨大的挑戰。因此,需要一種使神經外科醫生能夠在手術過程中區分腫瘤和非腫瘤組織的技術。這將使外科醫生能夠更安全可靠地切除腫瘤,同時保留健康的腦組織,從而大大降低患者的風險。傳統技術例如 MRI、病理組織熒光、超聲等均有其技術局限,無法同時滿足術中實時、大視野、無標記、三維成像等多方面需求。賦能價值: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域的功能劃分定位。新型的量子神經分析儀(QNA)被用于開發下一代術中功能診斷的“磁成像內窺
45、鏡”,其通過對大腦信息傳遞過程中,電荷在神經通路中移動產生磁場的檢測和分析,實現百微米級別的神經元活動區域成像,定位功能區域腫瘤邊界,使醫生能夠更精確地規劃切口路徑。E.術中檢測病理組織磁成像E基于鉆石 NV 色心研發的腦組織診斷技術圖片來源:https:/ 信號因為其靈敏度低,無法實時監測體內代謝過程,傳統核磁信號增強裝置-溶融超極化DNP 面臨設備造價昂貴、效率低等應用推廣問題。賦能價值:基于量子精密測量技術可實現近室溫下的超極化探針制備,例如,對13C標記的內源代謝物類分子探針的極化信號最高可增強 10000 倍。該技術在許多醫學領域(腫瘤及其他領域)具有應用潛力。如通過細胞水平上檢測關
46、鍵代謝途徑的早期變化,有效的治療可以在短時間內誘導腫瘤細胞的代謝反應,并通過代謝 MRI 可見信息(既往組織水平的變化,需要幾個月可見)來評估患者在代謝水平上對癌癥治療的早期反應,可以決定性地推進細胞分析,并為醫學研究和體外診斷開辟新的途徑。F.功能成像:13C 超極化 MRI 分子成像F實現標記 C13 的內源性代謝物的核磁信號極化增強41Industrial Application產業應用目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年超極化 MRI 分子成像揭示生物體內代謝路徑圖片來源:https:/www.nvision- Explorat
47、ion能源勘探行業痛點:石油被譽為工業的血液,是國民經濟發展的推動器,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據實時上傳到地面,現有的技術是通過泥漿脈沖或電磁波來實現通信信號向地面的傳輸。泥漿脈沖傳輸的技術方案,以鉆井液為介質,通過鉆井液壓力脈沖編碼數據,其傳輸速率低,不適用空氣鉆井。電磁波傳輸的技術方案,利用鉆桿作為天線實現電磁信號傳輸,中途雖然可以添加中繼器,但傳輸受地層電阻率影響,傳輸距離短。隨著測井深度不斷增加,人們需要一種傳輸速度更高、穩定性更好、傳輸距離更大的通信和控制方法。賦能價值:基于量子精密測量技術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
48、超高靈敏度,使得井下至地面的信號傳輸具有傳輸速率高、穩定性好、傳輸距離大等優點,在石油鉆井過程的數據通信方面具有明顯優勢。A目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年隨鉆測井裝置圖片來源:網絡A.油氣勘探 量子傳感器電磁波通信43Industrial Application產業應用行業痛點:電網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,容易出現鐵磁諧振,影響電流傳輸質量;電子式互感器耐壓工藝復雜,且測量精度有限;光纖式互感器從原理上保證了絕緣性能,但在應用中出現了溫
49、漂大、易受震動影響等問題。賦能價值:采用基于量子精密測量技術的電流傳感器,可以從以下幾個方面,解決現有電流互感器存在的問題。其一,利用鉆石 NV 色心的磁測量技術路線的精度極高,溫漂可控性好的特性,可實現精確測量待測電流,提升電網系統的管理精度。另一方面,鉆石材料具有穩定的物理化學性質,耐受各種極端環境,有助于提升電流互感器的耐壓等級和工作壽命,并可結合先進 MEMS 工藝可實現傳感裝置小型化。B.電網管理B目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年量子互感器44行業痛點:礦物勘探技術的創新,可以極大促進新礦床的發現。進入 21 世紀,傳統的
50、近地表礦床被發現的概率越來越小,探礦行業開始向深部(500 m 2000 m)和難進入的區域擴展。新的礦物探測需要更高的靈敏度,對現有的探測設備提出了更高的要求。賦能價值:量子精密磁測量技術有望為探礦技術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勢,而且可以在室溫、地磁場環境下直接使用,具有體積小,功耗低,使用便捷的優點。C.礦物探測C不同探礦技術的對比分析圖片來源:NR Paterson,Geophysical developments and mine discoveries in the 20th century.The Leading Edge,2003.45Industri
51、al Application產業應用目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 100 億6 10 年基于磁場測繪的進行地下礦藏分析圖片來源:K Witherly,The evolution of minerals exploration over 60 years and the imperative to explore undercover.The Leading Edge,2012.46Aviation/Aerospace/Security航空/航天/安全行業痛點:近年來自動駕駛技術逐漸走向應用,對基于陀螺儀的慣性導航需求也逐漸提上日程?,F有陀螺儀難以兼顧低
52、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;MEMS 陀螺儀體積較小,成本較低,但可靠性不足。賦能價值:基于量子精密測量的慣性導航技術,可同時滿足上述所有需求,有望率先使用在 L4 級別的自動駕駛場景中。A.慣性導航ANV 色心陀螺儀的原理簡圖圖片來源:https:/tlo.mit.edu/technologies/stable-three-axis-nuclear-spin-gyroscope-diamond47Industrial Application產業應用目標市場預計落地時間5 10 億0 3 年10 50 億3 6 年50 1
53、00 億6 10 年原子干涉陀螺儀的樣機外形圖片來源:Y Liu et al.,Progress on atomic gyroscope/2017 24th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems(ICINS).IEEE,2017.48行業痛點:新型水下目標發出的噪聲極低,很難避免被傳統的聲吶設備發現,這對水下目標探測技術提出了全新的要求。賦能價值:基于量子精密測量的磁探測技術,具有探測靈敏度高、支持多軸向矢量磁測量的優勢,并且軸向精度由量子力學的對稱性嚴格保證,避免了傳統意義上的軸向
54、誤差,可用于對水下目標的發現、定位和追蹤。B.磁異常探測B圖片來源:網絡49Industrial Application產業應用行業痛點:量子雷達是量子通信技術的一種應用。該方案將糾纏光子對中的一個光子發射出去,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,目標物和發射光子的相互作用必定影響另一個光子的特性。賦能價值:量子雷達目前具備以下潛在優點:較高的探測靈敏度,比傳統雷達具有更高的探測距離和識別精度。較低的發射功率,能夠有效防范反雷達手段。更多維度的調制能力,可以表征量子漲落等微觀信息,探測數據更全面。C.量子雷達C第 12 屆珠海航展展示的中電科
55、14 所量子雷達圖片來源:網絡單光子相機在 45 KM 距離上主動成像的圖解圖片來源:Z Li et al.,Single-photon computational 3D imaging at 45 km.Photonics Research,2020.50Fundamental Research基礎科研前沿需求: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理論缺陷,例如:粒子質量等級問題、強 CP 疑難、正反物質不對稱性、暗物質和暗能量的物理本質等。在諸多解決方案中,一類簡單有效的理論假設是引入一類超輕質量的
56、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索新粒子提供了寶貴的機會。賦能價值:鉆石 NV 色心作為傳感器可在微米以下的力程范圍內開展電子與核子相互作用的搜尋。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。說明了利用 NV 色心量子傳感器來研究各種超出標準模型的新物理有獨特優勢,給我們提供了研究暗物質暗能量的新思路。A探測未知作用力的實驗設計圖片來源:X Rong et al.,Searching for an exotic spin-dependent i
57、nteraction with a single electron-spin quantum sensor.Nature Communications,2018.圖片來源:Chinese physics C 雜質封面(2014)A.尋找新粒子 類軸子51Industrial Application產業應用前沿需求:磁共振技術在獲取物質的組成和結構信息方面,擁有準確、快速和無破壞性的獨特優勢,已廣泛應用于物理、化學、材料和生物醫學等領域。當前通用的磁共振技術通常僅能得到數十億個分子的統計平均信息,而單分子級別磁共振信息可以實現單分子成像、分子結構解析、動力學監測,甚至在細胞內部進行原位實驗,孕育
58、新的科研價值。賦能價值:基于鉆石的新型磁共振技術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相干時間,將自由基標記單個生物分子比如蛋白質或 DNA 綁定在鉆石表面,然后利用動力學解耦技術同時操控 NV 探針和待探測自旋,對信號實現特異性濾波,從而實現單分子順磁共振測量。B.單分子磁共振B圖片來源:網絡52前沿需求:在磁學的研究中,磁成像是一種極其重要的表征手段,對磁性產生機制的研究起到決定性作用。特別是二維磁性材料、磁性氧化物薄膜、反鐵磁材料等新材料的突破,亟需高靈敏度、高空間分辨率的表征儀器開展相關研究。賦能價值:基于NV色心和AF
59、M掃描成像技術的掃描NV探針顯微鏡,具有高靈敏度、納米級空間分辨、工作溫區寬的特征,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,已經在前沿磁學研究中嶄露頭角,即將成為該領域中一種重要的磁表征手段。比如,磁性斯格明子因其展現出豐富新奇的物理學特性,在未來高密度、低能耗、非易失性計算和存儲器件中具有潛在應用價值。但是室溫下單個斯格明子的探測在實驗上仍具有挑戰性。掃描 NV 探針顯微鏡具有的高靈敏度和高分辨率特點,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構出斯格明子的拓撲結構。C.磁性材料表征C微觀磁共振成像系統圖片來源:M Guo et al.,A flexible nitr
60、ogen-vacancy center probe for scanning magnetometry.The Review of scientific instruments,2021.(下左)圖片來源:I Gross et al.,Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer.Nature,2017.(下右)53Industrial Application產業應用D.引力波探測D引力波探測裝置:LIGO圖片來源:瑞典皇家科學院 Nobelprize.or
61、g(上)圖片來源:J Aasi et al.,Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light.Nature Photonics,2013.(下左)圖片來源:http:/public.virgo-gw.eu/virgo-in-anutshell/(下右)前沿需求:2015 年 9 月 14 日,位于美國的激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)首次直接探測到引力波。引力波由愛因斯坦在一個世紀前所著的廣義相對論中預言。引力波預計只會使 LIGO 長達 4 km 的
62、臂長變化幾阿米大約是質子直徑的千分之一。由于光子散粒噪聲,傳統激光干涉儀無法進一步探測到如此微小的時空“漣漪”的細節。賦能價值:量子精密測量技術可對激光的量子噪聲或漲落進行大幅壓縮,極大提高了 LIGO 探測靈敏度,使其突破標準量子極限,成功觀測到距離地球十幾億光年之外黑洞合并過程。人類從此打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。這一技術還可在光學通信、精密測量、量子計算等多方面具有重要應用價值。54前沿需求: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出一些奇特的性質,例如高溫超導現象??茖W家發現當給 LaH(10 a)加壓到大氣壓的兩百萬倍時,在零下 13 攝氏度的“高溫”條件即可實現超導
63、。由此可見,通過高壓等手段調控量子材料的新奇特性,有可能催生新的材料革命。但是,高壓下量子材料的特性表征極具挑戰,尤其在磁性測量方面,將傳統的電路放在壓力腔內十分困難。賦能價值:量子精密測量技術與鉆石對頂砧產生的高壓結合,就能在不額外引入任何元件的情況下對材料進行無損的磁場探測。將 NV 色心植入鉆石對頂砧,可以直接感知鉆石對頂砧中的材料在不同壓力、溫度、磁場等條件下的磁信號變化。此外超導體除了電阻為零外,還會排斥內部的磁場,這種現象叫作邁斯納效應。通過探測材料的邁斯納效應即可判斷材料的超導性?;?NV 色心的量子磁傳感器可用于高壓環境下的磁性檢測和微觀成像,為高壓物理提供了一種全新的研究手
64、段。E.高壓物理E利用鉆石 NV 色心進行超導物理研究圖片來源:M Lesik et al.,Magnetic measurements on micrometer-sized samples under high pressure using designed NV centers.Science,2019.55Industrial Application產業應用前沿需求:X 射線的高穿透力以及短波長特性為生物學成像研究提供了較高的極限分辨率,但同時這種特殊的光線也會給生物樣本(如細胞、病毒和細菌)帶來輻射損傷。低劑量 X 射線成像可以避免這一問題,但往往分辨率會降低。在不犧牲分辨率的情況下
65、成像更敏感的生物樣本是未來該領域的技術發展趨勢之一。賦能價值:通過鬼成像量子精密測量技術或將可實現低劑量高分辨的 X 射線顯微鏡成像。與傳統單束 X 射線光子通過樣品并到達檢測器的典型 X 射線成像技術相比,鬼成像技術需要將 X 射線束分成兩束糾纏光子流,且只有其中一束會通過樣品,被研究的樣品僅受到少量的 X 射線照射。由于未穿過樣品的光子與穿過樣品的光子具有相關性,因此可以提取大量 X 射線光子所攜帶的測量信息,最終實現降低樣品輻照劑量,并保持較高的分辨率效果。F.量子增強 X 射線顯微成像F量子 X 射線成像原理及裝置圖片來源:https:/www.bnl.gov/newsroom/new
66、s.php?a=11734756前沿需求:因為微波/太赫茲輻射很容易通過塑料、人體等材料,可以用于無損檢測。并且由于其非電離性質,高速太赫茲成像未來在安防、生物醫學領域的應用需求會很大。目前快速的太赫茲全場成像仍然是一個未實現的目標。傳統技術面臨熱噪聲大、非線性轉化效率低等問題,導致無法同時滿足靈敏度和高幀率的需求。賦能價值:室溫下制備里德堡態的堿金屬原子陣列可采用電磁誘導透明(EIT)的方法,將難以探測的太赫茲輻射場轉化為可探測光子,可實現在接近光場空間衍射極限的分辨率、飛瓦檢測強度以及每秒幾千幀的成像速度。A.高分辨微波/太赫茲成像AMetrology計量學基于原子氣室傳感陣列實現亞微米級
67、非干擾式電場成像57Industrial Application產業應用前沿需求:基于里德堡原子開發的頻譜方案的前沿方向主要包括:原子天線:研究基于原子體系的信號無線接收新機制,研制寬頻帶載波、兼容多調制模式的便攜式原子接收機,并用于外場實驗。原子頻譜儀:基于里德堡原子體系實現微波信號的強度、頻率、相位等全參數探測感知,探索寬頻帶連續頻率調諧的新方法和新技術,形成便攜式原子微波頻譜儀。原子雷達:基于陣列原子感知的微波探測方法,探索信號到達角估計(DOA)等雷達應用。B.原子微波/RF 頻譜通信B基于陣列原子感知的微波探測方法,可探索信號到達角估計等圖片來源:網絡以量子信息技術為代表的第二次量子
68、革命將為數字經濟帶來顛覆式產業革新機會,量子精密測量技術作為挖掘新的“信息入口”的重要工具,將為產業數字化智能化創新帶來極大的“信息增量資源”。量子精密測量技術的商業化將呈現“八仙過海 各顯神通”的多技術路線局面,不同技術路線基于其特性將實現業務場景落地“多點開花”。在產業化浪潮到來之際,國儀量子作為全球領先的量子精密測量技術產業化的開拓者,編制此白皮書展示了當前量子精密測量的主流技術以及具備商業化潛力的應用場景,助力量子技術賦能行業應用創新。后記國儀量子(合肥)地址:合肥市高新區創新產業園二期E2樓國儀量子(無錫)地址:無錫市惠山區惠山城鐵站區站前路2號更多新聞動態更多解決方案國儀量子(重慶)地址:重慶市涪陵區馬鞍街道中科大廈19層10號國儀量子(北京)地址:北京市海淀區大鐘寺東路9號1幢B座413室國儀量子(上海)地址:上海市靜安區陜西北路80號七立方102室國儀量子(廣州)地址:廣州市黃埔區瑞和路39號H5棟1-2樓400-0606-CHINAINSTRU&QUANTUMTECH(HEFEI)CO.,LTD.國儀量子(合肥)技術有限公司F E E L T H E W O R L D I N A Q U A N T U M W AY