“精密测量”方向的研究内容主要是发展对关键物理量的高精度、高灵敏测量方法和技术，探索量子技术在精密测量领域的应用，突破经典测量极限，实现单量子（如单光子、单自旋、单原子、单分子等）水平的极限探测、精准操控和综合应用。本学科建设依托合肥微尺度物质科学国家研究中心、量子信息与量子科技前沿协同创新中心等一流研究平台，研究方向包括：
量子频标
时间频率是测量最精确的基本物理量，光频标（光钟）的频率不确定度接近1E-18，已经成为量子精密测量的基础。但是地面光钟往往会受到潮汐力的影响，在卫星和空间站上搭载光钟可以解决这个问题。同时光钟的应用高度依赖于远距离时频传递，目前缺少满足光钟应用的高精度洲际时频比对和传递手段。建设高精度的天地一体化时频传递网，可以填补时频计量和标准技术空白，并推进基本物理理论检验、暗物质探测等基础科学研究，提升广域量子通信网络、全球导航定位系统性能。
研究目标为突破空地时频传递技术，满足量子通信等应用需求，具体包括开展中高轨卫星时频载荷研制和地基授时系统建设，开展精密光频梳、超稳激光、线性光学采样等关键设备研制；开展空间光钟以及星地高精度时频传递和光纤远距离时频传递研究，实现洲际光钟时频比对；同时，开展时频传递在量子精密测量中的应用研究，时频传递与量子通信网络融合，量子安全时频传递等研究。
量子模拟
量子系统的状态由希尔伯特空间的态矢量描述，态空间的大小随系统的规模指数增长，用经典计算机对量子系统进行模拟需要的资源随系统规模指数增长，即使是最强的超级计算机，也很难实现60个以上粒子组成的量子系统的精确模拟。量子模拟直接利用可控量子系统的量子特性，通过精密量子调控手段，构建出和被模拟系统相似的系统哈密顿量，模拟其动力学演化过程，对大规模量子系统实现高效模拟。量子模拟在研究多体量子系统的动力学行为，探索多体系统新物理现象，研究分子结构，发现新材料等邻域都有非常广阔的应用前景。
研究目标为突破现有量子芯片工艺技术瓶颈，实现比特大规模集成、高相干性能、低控制串扰的高性能量子处理器；研发大规模集成量子处理器的专用测量平台和控制软硬件系统；探索量子计算在物理、化学、材料、医药以及信息科学等领域的量子模拟应用算法。
量子雷达
光量子雷达应用高性能单光子探测技术，能够实现单光子级信号精密探测，结合高精度的时间测量、高精度光子鉴频等核心技术，能实现对目标场景（硬目标）和大气参数（软目标），进行高灵敏的量子测量和成像。研究可以突破传统光学成像极限的技术和算法，并探索此系统在科学和技术中的应用，如远距离单光子成像雷达和非视域成像等。研究前沿激光雷达遥感技术，开展实现昼夜可用、大探测面积、高时空分辨、多探测参数、便于移动探测的大气单光子激光雷达技术和集成系统的研究。
自旋量子精密测量
使用金刚石氮-空位固态单自旋作为量子精密测量感测单元，其纳米级空间分辨率、高灵敏度的优点使得其在低维材料、量子计算、生物单分子、行星科学等交叉学科的研究中能够实现超越经典测量方法的量子优越性。自旋量子精密测量方向研究基于固态单自旋的量子精密测量，突破对电、磁基本物理量的测量和成像新原理和重大科学技术装备，探索其在交叉学科中的应用。基于金刚石固态单自旋的量子调控还可作为量子处理器，在其上实现量子计算，量子人工智能等多项前沿应用。
激光痕量探测与精密测量
1）发展单原子灵敏探测方法，利用激光阱捕获单个目标原子，测量环境中极其稀有的同位素（同位素丰度探测极限达10-18），实现长寿命的放射性同位素85Kr、39Ar 、81Kr和41Ca的检测。这些同位素是测量环境水、冰样品年代的理想示踪同位素，在研究地下水资源、洋流循环、冰川定年以及核安全等方面有重要应用。
2）检验基础物理定律，寻找超越标准模型的新物理。用冷原子测量方法寻找原子的固有电偶极矩（EDM），实验检验时间反演对称性。
量子材料与器件
量子信息科技的发展依赖于核心量子材料与器件品质的提升，高质量的量子器件是实现量子通信、量子计算和量子精密测量的基本保障。本研究方向已建成完善的材料生长、芯片加工和测量表征平台，并致力于高品质固态量子材料与器件的研究。具体内容包括：
1）面向光量子计算，研究高性能确定性固态单光子源；
2）面向隐形传输和分布式量子网络，研究高品质确定性纠缠光子源；
3）面向超导量子计算，研究高品质超导薄膜和高性能超导量子比特器件；
4）面向光学原子钟需求，研制低噪声高反射率（≥5N）晶体反射膜等。