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北京大學物理學院“極端光學創新研究團隊”王劍威研究員和龔旗煌院士領導的課題組，與英國、丹麥、奧地利和澳大利亞的學者合作，實現了硅基集成光量子芯片上的多體量子糾纏和芯片-芯片間的量子隱形傳態功能，為芯片上光量子信息處理和計算模擬的應用，奠定了堅實的基礎。相關研究成果于近日發表在國際頂級物理期刊Nature Physics(https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x)。 集成光量子芯片技術，結合了量子物理、量子信息和集成光子學等前沿學科，通過半導體微納加工制造高性能且大規模集成的光量子器件，實現對光量子信息的高效處理、計算和傳輸等功能。其中，利用硅基平面光波導集成技術的光量子芯片具有諸多獨特優勢，包括集成度高、穩定性好、編程操控性優越和可單片集成核心光量子器件等，因此被認為是一種實現光量子信息應用的重要手段之一。 A. 硅基量子隱形傳態和多光子量子糾纏芯片的示意圖，左上角為集成量子光源的電子顯微鏡圖；B. 量子隱形傳態的量子線路圖；C. 量子糾纏互換的量子線路圖；D. GHZ糾纏制備的量子線路圖 北京大學研究團隊與布里斯托爾大學、丹麥科技大學、奧地利科學院、赫瑞-瓦特大學和西澳大利亞大學科研人員密切合作，在硅基光量子芯片技術和應用方面取得了突破性進展。研究團隊發展了一種基于微環諧振腔的高性能集成量子光源，通過硅波導的強四波混頻非線性效應，實現了光子全同性優于90%、無需濾波后處理的50%觸發效率的單光子對源，達到了對4組微腔量子光源陣列的相干操控，片上雙光子量子糾纏源的保真度達到了92%。團隊實現了關鍵的可編程片上雙比特量子糾纏門，可以按照功能需要切換貝爾投影測量和量子比特焊接操作，通過量子態層析實驗確認了高保真的雙比特糾纏操作。 研究團隊在單一硅芯片上實現了高性能量子糾纏光源、可編程雙比特量子糾纏門，以及可編程單量子比特測量的全功能集成，進而實現了三種核心量子功能模塊——芯片上四光子真糾纏、量子糾纏互換、芯片-芯片間的高保真量子隱形傳態。通過對兩對糾纏光子對進行量子比特焊接操作，團隊實現并判定了四比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 真量子糾纏的存在；通過對兩對糾纏光子中各一個光子進行貝爾投影操作，實現了量子糾纏互換功能，使來自不同光子源的光子間產生了量子糾纏；利用兩個芯片間的量子態傳輸和量子糾纏分布技術，實現了兩個芯片間任意單量子比特的量子隱形傳態，達到了近90%的隱形傳態保真度。 團隊研制的硅基多光子量子芯片尺寸僅占幾平方毫米，比傳統實現方法小了約5-6個數量級，不僅達到了器件的微型化，同時具備了單片全功能集成、器件編程可控、系統性能優越等特點，其中量子隱形傳態保真度優于已報道的其它物理實現方法。多體量子糾纏體系的片上制備與量子調控技術，為片上量子物理基礎研究和片上光量子信息處理傳輸、量子計算模擬的應用提供了重要基礎。

 基于硅材料和CMOS工藝制備光電子器件及其集成技術，可實現低成本、批量化生產，并具有和微電子單片集成的潛力，是目前國際光電子前沿研究領域。該技術不僅可以用于片上光互連，也可為骨干網、光接入網和數據中心提供高性能、低成本收發模塊。 在國家973計劃項目《超高速低功耗光子信息處理集成芯片與技術基礎研究》的支持下，針對硅基材料不具備線性電光效應、而利用自由載流子等離子色散效應實現電光調節效率低、功耗高等科學難題，提出了一系列解決思路和具有創新性的器件結構，形成了硅基光電子集成器件設計方法和基于CMOS工藝的制備工藝流程，成功制備了一系列硅基光電子集成芯片。 該技術不僅為我國硅基光電子集成技術的發展和華為等知名電信設備企業新一代產品提供了有力的技術支撐，也引起了國際同行的密切關注。美國光學學會《Optics & Photonics News》曾出版專題報道“Integrated Photonics in China”，對本項目的部分工作進行了介紹。2014年底，Nature Photonics將本項目首次在硅基上研制成功的大容量可編程光緩存芯片作為Research Highlight加以報道。高速低功耗16*16光交換芯片版圖大容量可編程光緩存芯片（左：芯片照片，中：封裝后的結構，右：性能測試結果）為華為公司研制的400G可調光模塊。

已有樣品/n在主流硅基FinFET集成工藝基礎上，通過高級刻蝕技術形成體硅絕緣硅Fin和高k金屬柵取代柵工藝中選擇腐蝕SiO2相結合，最終形成全隔離硅基環柵納米線MOS器件的新方法。并在取代柵中絕緣硅Fin釋放之后，采用氧化和氫氣退火兩種工藝分別將隔離的“多邊形硅Fin”轉化成“倒水滴形”和“圓形”兩種納米線結構。

基于CMOS工藝，設計了大量射頻、毫米波收發機和頻率源芯片； CMOS 90nm 60GHz 接收機芯片，集成片上天線，傳輸效率優于IBM芯片90%； CMOS 90nm 21dBm 60GHz功率放大器，性能優于Hittite商用GaAs芯片； CMOS 60GHz 移相器芯片，為開發毫米波相控陣芯片奠定良好基礎；

項目成果/簡介:目前鋰離子電池的能量密度已經越來越不能滿足其在電動汽車、智能手機和大規模儲能方面的應用。鋰離子電池的能量密度低主要是因為所采用的正負極材料的比容量較低，尤其是負極材料石墨，其理論比容量為 372 mAh/g。目前研究最多的、最具有商業化前景的負極材料為硅基負極材料，其理論比容量為 4200 mAh/g，是石墨的十倍以上。據招商證券預計，硅基負極材料在 2020 年的市場使用量接近于 5 萬噸，銷售額接近于 50 億。 然而硅基材料在充放電過程中較大的體積變化率（>300%）限制了其商業化應用，較大的體積變化導致極片碎裂以及電解液在材料表面持續分解，從而造成其循環性能劇烈下降。另外，硅基材料為半導體，其導電性較差，從而導致硅基負極材料的倍率性能較差。如何解決硅基負極材料這兩大缺點是普及硅基材料在鋰離子電池應用的關鍵。 陳永勝教授課題組結合在納米技術和石墨烯材料領域的專長，經過近 10 幾年的研究，采用低成本的原材料、易工業化的工藝技術制備了石墨烯包覆的硅基負極材料，主要技術創新點包括：1）采用獨特的、具有自主知識產權的納米技術將大粒徑的硅粉進行納米化處理，納米化大大緩解了硅在充放電過程中體積變化的問題，從而從根本上解決了硅基負極材料循環性能差的問題；2）石墨烯包覆則充分發揮了石墨烯導電導熱性能好、機械性能優異、電化學性能穩定等特點，改善了材料的鋰離子擴散性能和電子導電性，大大提高了功率特性； 14隔絕了硅與電解液的直接接觸，抑制副反應造成的電解液分解和材料侵蝕，提高了首次效率，延緩了使用過程中的壽命衰減；進一步減緩了充放電過程中硅的體積變化，維持材料結構的整體穩定性，極大地提升了循環特性。效益分析:陳永勝教授課題組發明的石墨烯包覆硅基負極材料，從制備過程上講，具有工藝簡單、成本低廉、易工業化的特點；從性能上講，具有比容量高、穩定性好、壓實密度大等優點，與高比容量正極組成的鋰離子電池的能量密度是當前商業化鋰離子電池能量密度的數倍以上。

目前鋰離子電池的能量密度已經越來越不能滿足其在電動汽車、智能手機和大規模儲能方面的應用。鋰離子電池的能量密度低主要是因為所采用的正負極材料的比容量較低，尤其是負極材料石墨，其理論比容量為 372 mAh/g。目前研究最多的、最具有商業化前景的負極材料為硅基負極材料，其理論比容量為 4200 mAh/g，是石墨的十倍以上。據招商證券預計，硅基負極材料在 2020 年的市場使用量接近于 5 萬噸，銷售額接近于 50 億。 然而硅基材料在充放電過程中較大的體積變化率（>300%）限制了其商業化應用，較大的體積變化導致極片碎裂以及電解液在材料表面持續分解，從而造成其循環性能劇烈下降。另外，硅基材料為半導體，其導電性較差，從而導致硅基負極材料的倍率性能較差。如何解決硅基負極材料這兩大缺點是普及硅基材料在鋰離子電池應用的關鍵。 陳永勝教授課題組結合在納米技術和石墨烯材料領域的專長，經過近 10 幾年的研究，采用低成本的原材料、易工業化的工藝技術制備了石墨烯包覆的硅基負極材料，主要技術創新點包括：1）采用獨特的、具有自主知識產權的納米技術將大粒徑的硅粉進行納米化處理，納米化大大緩解了硅在充放電過程中體積變化的問題，從而從根本上解決了硅基負極材料循環性能差的問題；2）石墨烯包覆則充分發揮了石墨烯導電導熱性能好、機械性能優異、電化學性能穩定等特點，改善了材料的鋰離子擴散性能和電子導電性，大大提高了功率特性； 14隔絕了硅與電解液的直接接觸，抑制副反應造成的電解液分解和材料侵蝕，提高了首次效率，延緩了使用過程中的壽命衰減；進一步減緩了充放電過程中硅的體積變化，維持材料結構的整體穩定性，極大地提升了循環特性。

本項目采用隧道結技術實現疊層太陽能電池的制備，擴展電池的光譜收集范圍，提高電池的轉換效率。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、成果簡介 太陽能是大自然賜予人類最清潔，最豐富的能源資源，目前商用的太陽能電池以晶體硅電池為主，由于晶體硅消耗硅料較多，近年來人們一直致力于開發硅薄膜電池。非晶硅薄膜電池已經實現了商業化生產并有了一定的市場份額，但它仍存在不足之處，包括光致衰減效應和轉換效率不高(約6％)等。本項目在國家863計劃課題(2006AA03Z219)支持下，開展了以多晶硅薄膜、微晶硅薄膜和納米晶薄膜的制備和相關材料的單結與疊層硅基太陽能電池關鍵技術研究，已經申請發明專利5項，發表科研論文20余篇。 三、創新點以及主要技術指標 1.利用LPCVD方法和自擴散技術生長多晶硅p-n結，結合層轉移技術制備多晶硅薄膜太陽能電池； 2．采用金屬誘導晶化和快速熱處理技術實現優質多晶硅薄膜的制備并在低溫下制備太陽能電池； 3.在PECVD和HWCVD生長硅薄膜時，通過生長溫度，氣體流量，氫氣稀釋比，腔室氣壓等參數實現微晶硅或者納米晶薄膜的生長； 4.采用雙層膜技術減小表面處入射光的反射并實現表面鈍化，提高入射光的收集率和少數載流子壽命； 5.采用高低結結構增加光生載流子的收集效率； 6.采用隧道結技術實現疊層太陽能電池的制備，擴展電池的光譜收集范圍，提高電池的轉換效率。 四、知識產權及獲獎 國家863項目(2006AA03Z219)

圖像傳感器，是一種常用的光電探測器件，它能將光子信號轉換成電子信號，被廣泛地應用在高性能光譜儀、數碼相機以及其他的電子光學設備中。普通的CCD、CMOS硅基探測器能獲得高量子效率的光譜響應范圍在400~900nm波段，在紫外波段，由于多晶硅柵的吸收系數很大，這就意味著紫外光子在極端淺（小于2nm）的表層被吸收，導致其在波長小于400nm的紫外波段量子效率（QE）極低。紫外量子效率低的缺陷限制了前照式硅基探測器在航空業、工業以及制造業等領域中的應用。因此，研制寬波段硅基探測器件使其響應范圍延伸到紫外和深紫外波段是國內外紫外探測領域的迫切需要。

技術成熟度：原型驗證 原理：模型將漿錨連接節點破壞視為兩個階段，第一階段為粘結破壞，即砂漿與鋼筋和鋼筋斷裂前（包括斷裂時）時段，第二階段為滑移破壞，即砂漿與鋼筋和鋼筋斷裂后時段。第一階段依靠梁單元模擬，第二階段依靠彈簧單元模擬，這樣準確的反映了漿錨連接發生時的強度破壞及之后的滑移脫離現象。 創新點：提出了建模工藝，給出了適用于模型的彈簧單元、梁單元本構關系。 應用場景：漿錨節點超限分析，漿錨節點抗震性能分析。 應用案例：約束漿錨鋼筋極限搭接連接剪力墻結構抗震性能分析，裝配法加固剪力墻施工模擬過程分析。 成果獲獎：吉林省土木建筑學會科技進步一等獎。 成果評價：建模簡單、計算快速、經過多篇論文驗證傳力與實際情況偏差小于10%。

本發明公開了一種基于硅基液晶的波長分辨監測方法。基于硅 基液晶在同樣的偏置電壓下，對不同波長入射光有不同的相位調制的 特性，對在硅基液晶波長工作范圍內的光信號實現分析與監測，并能 在入射光波長未知的條件下，對該波長進行測量，并能隨著相位調制 精度的提高，提高波長的分辨精度。本發明元件少，系統結構簡單緊 湊，對光路的準直要求不高，無需苛刻光路的耦合與復雜操作就能進 行波長的分辨，并且有著與入射光偏振態無關的特性，在分辨出波長 的同時，還能對入射光束的偏振態進行測量，適用范圍更廣。