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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華研究組在自旋量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次提出和驗(yàn)證了Floquet自旋量子放大技術(shù)，該技術(shù)克服了以往只在單個(gè)頻率處量子放大的局限性，實(shí)現(xiàn)了多頻段極弱磁場(chǎng)信號(hào)的量子放大，靈敏度達(dá)到了飛特斯拉水平。

量子通信主要涉及量子密鑰分配( QKD)、量子安全直接通信(QSDC) 、量子秘密共享( QSS) 等3個(gè)方面。通信雙方以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學(xué)相關(guān)原理及量子特性，利用量子信道，在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機(jī)密信息的通信技術(shù)。量子秘密共享旨在對(duì)重要的密鑰進(jìn)行安全保護(hù)，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復(fù)出真實(shí)的密鑰。

提出一種如下圖所示能克服光子側(cè)向和背向泄露且能極大提高光子前向出射的新型微納“射燈”結(jié)構(gòu)，其單光子理論收集效率在較大的帶寬中超過90%、最高可達(dá)95%。? 該“射燈”結(jié)構(gòu)量子光源的實(shí)驗(yàn)制備難度極大，因?yàn)樗笕蠛诵奈⒓{制備技術(shù)：厚度160nm左右且內(nèi)有量子點(diǎn)的薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)；定位精度小于10nm的量子點(diǎn)光學(xué)精確定位技術(shù)；環(huán)形槽寬度制備精度小于5nm的高質(zhì)量牛眼微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。為實(shí)驗(yàn)制備出這一性能優(yōu)越的量子光源，王雪華教授團(tuán)隊(duì)自2013年開始，從零起步，堅(jiān)持不懈，不斷探索，先后發(fā)展和掌握了上述三大核心微納制備技術(shù)，在國(guó)際上率先制備出綜合性能俱佳的“三高”量子糾纏光子對(duì)源

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事徐飛虎、張強(qiáng)，與清華大學(xué)馬雄峰、多倫多大學(xué)Hoi-Kwong Lo等，應(yīng)邀在囯際物理學(xué)權(quán)威綜述期刊、美國(guó)物理學(xué)會(huì)的《現(xiàn)代物理評(píng)論》上發(fā)表題為“基于現(xiàn)實(shí)器件的安全量子密鑰分發(fā)”的長(zhǎng)篇綜述論文。該論文系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并指出，經(jīng)過全球?qū)W術(shù)界三十余年的共同努力，現(xiàn)實(shí)條件下量子密碼的安全性已經(jīng)建立起來，尤其是測(cè)量器件無關(guān)等量子密鑰分發(fā)協(xié)議的提出，徹底關(guān)閉了量子密碼在物理實(shí)現(xiàn)過程中可能出現(xiàn)的安全性風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)

研究了二維二聚化量子自旋系統(tǒng)，通過理論分析和高精度的量子蒙特卡洛方法，發(fā)現(xiàn)在交錯(cuò)狀二聚化量子海森堡模型中，相變臨界指數(shù)具有新奇的非單調(diào)尺寸標(biāo)度行為。他們通過在有限尺寸標(biāo)度理論中引入兩個(gè)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，同時(shí)進(jìn)行大尺寸的計(jì)算分析，成功地解釋了非單調(diào)的量子蒙特卡洛結(jié)果，從根源上指出二維二聚化量子自旋系統(tǒng)的相變?nèi)匀粚儆贠（3）普適類，適用于量子-經(jīng)典對(duì)應(yīng)理論。他們的研究表明，在量子相變中可能存在多個(gè)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)導(dǎo)致的新奇標(biāo)度行為，需要采用正確的標(biāo)度理論才會(huì)得到正確的結(jié)果。在論文中，他們還創(chuàng)造性地提出多參數(shù)聯(lián)動(dòng)-高階擬合方法，能極大地提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，可以用在不同體系的數(shù)據(jù)分析中。

1.設(shè)計(jì)獨(dú)立的量子芯片操控層與量子芯片讀取層，利用三維芯片結(jié)構(gòu)提升量子芯片的線路密度與集成度； 2.設(shè)計(jì)新的量子比特操控信號(hào)調(diào)制方法，提高量子邏輯門操作的保真度。 3. 開發(fā)兼容于超導(dǎo)量子芯片的工藝材料與立體封裝工藝技術(shù)。 4.設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)更大增益-帶寬積特征參數(shù)的約瑟夫森量子參數(shù)放大器結(jié)構(gòu)。 5.利用大規(guī)模硬件同步技術(shù)以及基于 PXI 等高速擴(kuò)展架構(gòu)的集成技術(shù)。 6.在邏輯控制板中原位實(shí)現(xiàn)量子芯片讀取信息的處理。 7.利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)量子算法序列到量子比特操控信號(hào)序列的實(shí)時(shí)生成與組合，使得用戶可以在直接在量子編譯器層面對(duì)量子芯片進(jìn)行編程操作。 

北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)所王劍威研究員與意大利羅馬大學(xué)Fabio Sciarrino教授、英國(guó)布里斯托爾大學(xué)Anthony Laing和Mark Thompson教授，受邀在國(guó)際著名刊物《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上撰寫綜述文章，介紹“集成光量子技術(shù)”這一新興領(lǐng)域的基本科學(xué)原理和前沿進(jìn)展。 量子技術(shù)利用量子物理基本原理，通過操控光或物質(zhì)的量子疊加和量子糾纏等內(nèi)稟屬性，其信息處理能力有望從根本上超越經(jīng)典范疇的信息技術(shù)。集成光量子芯片技術(shù)是一門結(jié)合了量子物理、量子信息、集成光子學(xué)和微納制造等學(xué)科的前沿交叉技術(shù)，通過半導(dǎo)體微納加工制造，有望實(shí)現(xiàn)高性能且大規(guī)模集成的光量子器件和系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)作為量子信息載體的單光子進(jìn)行高效處理、計(jì)算和傳輸?shù)裙δ堋?國(guó)內(nèi)外對(duì)集成光量子芯片技術(shù)的研究取得許多重要進(jìn)展 2008年，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了基于二氧化硅平面光波導(dǎo)體系的量子受控糾纏門和量子干涉，開創(chuàng)了集成光量子芯片領(lǐng)域的先河。在過去十年間，國(guó)內(nèi)外對(duì)集成光量子芯片技術(shù)的研究,取得了許多重要進(jìn)展，目前已實(shí)現(xiàn)了片上光量子態(tài)的制備、量子操控以及單光子探測(cè)等核心功能，并且器件集成度和功能復(fù)雜度也都得到了大幅度提高。綜述總結(jié)了集成光量子芯片的主流材料體系、核心量子光學(xué)元器件，及其量子信息的前沿應(yīng)用，包括量子密鑰分發(fā)和通信、物理和化學(xué)系統(tǒng)的量子模擬、量子玻色取樣、光量子信息處理和計(jì)算等。 集成光量子芯片的材料體系目前主要采用硅基絕緣體上、鈮酸鋰、激光直寫二氧化硅、氮化硅、氮化嫁、磷化銦等光波導(dǎo)材料。核心器件主要包括集成單光子源與糾纏光子源、可編程大規(guī)模集成光路、集成單光子探測(cè)器等，其中量子光源主要有非線性參量型量子光源和固態(tài)量子點(diǎn)型量子光源，而單光子探測(cè)主要通過超導(dǎo)納米線探測(cè)和過度邊緣感應(yīng)傳感來實(shí)現(xiàn)。這些核心光量子集成器件的性能均取得了很大程度的提升。與此同時(shí)，集成光芯片平臺(tái)上也已經(jīng)逐漸發(fā)展出一套可以將量子信息精確加載在單光子的路徑、偏振、時(shí)間、空間、頻率等不同自由度的方法，為該技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的便利性和多樣化。 集成光電子器件在經(jīng)典通信系統(tǒng)中一直起著舉足輕重的作用，可以預(yù)期其也將在量子密鑰分發(fā)和量子通信中起到重要作用，特別是微小型、低成本、高性能的量子通信收發(fā)芯片的發(fā)展，將有助于進(jìn)一步降低成本、提高可靠性，推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程。目前，量子通信的幾種主要協(xié)議，包括制備-測(cè)量類的通信協(xié)議以及基于糾纏分布和量子隱形傳態(tài)類的協(xié)議等，已先后在硅基、磷化銦、氮化硅等光子芯片上得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外，全集成型量子真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也有很多實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，并有望在不遠(yuǎn)的將來提供微小型、高速和低成本的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。 量子線路模型和基于測(cè)量的單向量子計(jì)算模型是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的主流模型。光學(xué)量子計(jì)算的線路模型實(shí)現(xiàn)方案存在擴(kuò)展性困難，但基于測(cè)量的光量子計(jì)算可以大大降低需要的物理資源，并可實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算。在可編程的光量子芯片平臺(tái)上，目前已成功實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Shor因數(shù)分解算法、Grover搜尋算法、優(yōu)化算法等重要算法，并可在單一芯片實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜量子信息處理功能。近年來，片上制備并操控復(fù)雜量子態(tài)，包括高維量子態(tài)、多光子糾纏態(tài)、圖糾纏態(tài)等，均已在硅基和二氧化硅等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，集成光量子芯片的高可編程性、高穩(wěn)定性、高保真度，為通用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。 量子玻色取樣和量子模擬被認(rèn)為是量子計(jì)算的短期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和重要應(yīng)用方向。觸發(fā)型玻色取樣和基于量子點(diǎn)光源的玻色取樣，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)具備“量子優(yōu)勢(shì)”的玻色取樣量子計(jì)算的有效技術(shù)方案，有望超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，其中前者已實(shí)現(xiàn)芯片上量子光源和線性網(wǎng)絡(luò)的全集成，而后者最近在中科大發(fā)布的一個(gè)論文預(yù)印本中報(bào)道了20光子60模式玻色取樣的重要突破。集成光量子芯片體系已實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了離散型和連續(xù)型的量子漫步功能，并可用于模擬復(fù)雜的物理和生物過程。同時(shí)，集成光量子模擬器也成功驗(yàn)證了多種典型的量子模擬算法，有望有效地模擬化學(xué)分子動(dòng)力學(xué)過程。

作為信息化時(shí)代各領(lǐng)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)與保障，信息安全是一個(gè)不容忽視的國(guó)家安全戰(zhàn)略。當(dāng)今信息安全領(lǐng)域廣泛使用的公鑰密碼體制主要都是基于經(jīng)典計(jì)算機(jī)“難以求解”的數(shù)學(xué)問題所設(shè)計(jì)構(gòu)造的。近些年來，隨著量子計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)公鑰密碼體制不再安全。一方面，Shor算法、Grover搜索算法、量子傅里葉變換等算法相繼被提出，從理論上證明這些算法在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行可以顯著縮短傳統(tǒng)公鑰密碼體制所依賴數(shù)學(xué)問題的求解時(shí)間。另一方面，實(shí)際可行的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，2019年，Google宣布制造出53量子比特的量子處理器“懸鈴木”，在絕對(duì)零度條件下可以在200秒完成超級(jí)計(jì)算機(jī)1萬年的計(jì)算任務(wù)。在即將到來的“后量子時(shí)代”，我們需要更安全的密碼體制來保護(hù)隱私，也就是后量子密碼（Post-QuantumCryptography,PQC）。未來10年商用量子計(jì)算機(jī)將面世，在量子計(jì)算機(jī)面前，構(gòu)造傳統(tǒng)公鑰密碼體制所基于的數(shù)學(xué)難題將毫無安全性可言，進(jìn)而依賴密碼體制而構(gòu)建的信息安全系統(tǒng)及各種應(yīng)用將面臨著嚴(yán)峻的安全問題，甚至存在被完全破解的潛在威脅，亟待研究抵御量子攻擊的密碼體制及其芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 2022年美國(guó)政府正式簽署安全法案，首次將后量子密碼納入美國(guó)國(guó)家安全備忘錄，同時(shí)還提出《量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)安全準(zhǔn)備度法案》，旨在指導(dǎo)推動(dòng)信息安全系統(tǒng)向后量子密碼學(xué)過渡。2022年9月7日，美國(guó)國(guó)家安全局(NSA)發(fā)布了《商業(yè)國(guó)家安全算法套件2.0》，其中將入選第三輪抗量子密碼標(biāo)準(zhǔn)化選擇的CRYSTALS-KYBER(以下簡(jiǎn)稱Kyber)算法列為國(guó)家安全系統(tǒng)未來過渡遷移的必備算法。我國(guó)也在后量子密碼領(lǐng)域積極跟進(jìn)，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，于2020年發(fā)布國(guó)內(nèi)首份量子安全白皮書，廣泛布局后量子密碼安全技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)。目前后量子密碼算法的研究正在逐漸走向成熟與標(biāo)準(zhǔn)化，未來將有數(shù)十億新舊設(shè)備完成從傳統(tǒng)公鑰密碼體制向后量子密碼算法的遷移過程。在充分考慮安全性能、算法性能、便利性和合規(guī)性的前提下，研制出符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)且具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的后量子密碼SoC芯片并應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)加快搶占后量子密碼國(guó)際領(lǐng)先地位，保障量子時(shí)代下的信息安全具有重要意義。 圖1 后量子密碼在未來信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用 本成果提出一種應(yīng)用在云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心加密中的高性能隨機(jī)數(shù)生成哈希核心算子，實(shí)現(xiàn)了具有靈活性和高吞吐量的可配置Keccak核心。該核心可配置為支持多個(gè)采樣策略，通過高吞吐量隨機(jī)數(shù)擴(kuò)展發(fā)生器新型結(jié)構(gòu)達(dá)到11.7Gbps的吞吐率，性能表現(xiàn)為目前世界最高水平。 圖2 高性能后量子密碼哈希核心算子 在國(guó)際上首次提出了具有側(cè)信道SPA攻擊防御機(jī)制的可配置BS-CDT高斯采樣器。該設(shè)計(jì)基于CDT反演高斯采樣算法，通過真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和隨機(jī)化功耗特性的電路結(jié)構(gòu)，采取隱藏相關(guān)數(shù)據(jù)的防御機(jī)制，高效獲取安全性更好的均勻分布隨機(jī)數(shù)，并可以有效抵御時(shí)間攻擊和潛在的功耗分析攻擊，顯著提高安全性。電路采樣精度可達(dá)112bit，新型多級(jí)快速查找表結(jié)構(gòu)極大縮短了概率函數(shù)分布表搜索時(shí)間，性能相較于同類設(shè)計(jì)提升近18倍。解決了高精度需求與采樣速度不匹配的沖突問題，優(yōu)化了概率函數(shù)分布表的存儲(chǔ)資源，靈活劃分密碼系統(tǒng)中的高斯采樣值，并有效加固了后量子密碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)前級(jí)的側(cè)信道安全性。 圖3 多模域計(jì)算兼容可重構(gòu)算術(shù)單元 針對(duì)后量子密碼計(jì)算量大，數(shù)據(jù)復(fù)雜的痛難點(diǎn)，優(yōu)化格數(shù)學(xué)難題中的數(shù)論變換（NTT）算法，實(shí)現(xiàn)了一種高性能NTT硬件加速單元。采用雙倍位寬乒乓式對(duì)稱存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)突破訪存限制，改進(jìn)模乘運(yùn)算單元關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，提高多項(xiàng)式運(yùn)算的效率，相比同類運(yùn)算操作下最先進(jìn)的設(shè)計(jì)快3.95倍。 圖4 靈活指令集型后量子密碼安全處理器芯片架構(gòu)及版圖 針對(duì)后量子密碼算法的多樣化計(jì)算需求，創(chuàng)新性地提出了一種多模域計(jì)算兼容型可重構(gòu)核心算子，能夠配置為不同模域下的關(guān)鍵運(yùn)算結(jié)構(gòu)，靈活支持Karatsuba、Toeplitz、NTT等運(yùn)算結(jié)構(gòu)。在配置為NTT結(jié)構(gòu)的運(yùn)算下，運(yùn)算性能與美國(guó)MIT研究團(tuán)隊(duì)在IEEEISSCC發(fā)表的相關(guān)成果保持國(guó)際同步水平，并具備更強(qiáng)的靈活性與通用性。 圖5 多模域計(jì)算兼容型可重構(gòu)核心算子 在團(tuán)隊(duì)積累多年的后量子密碼相關(guān)先進(jìn)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，在SMIC40nm工藝下實(shí)現(xiàn)了兩款后量子密碼芯片，能夠兼容國(guó)際最新標(biāo)準(zhǔn)的CRYSTAL-Kyber后量子密碼算法。后量子密碼Kyber芯片采用了高性能流水線結(jié)構(gòu)的蝶形運(yùn)算單元及高速NTT運(yùn)算單元，解決了加解密運(yùn)算中訪問存儲(chǔ)器所帶來的速度瓶頸問題。靈活指令集型后量子密碼芯片采用可編程自定義指令集架構(gòu)，基于多模域計(jì)算兼容的可重構(gòu)算術(shù)單元與可配置多功能哈希/隨機(jī)采樣核心算子，在實(shí)現(xiàn)高性能的后量子密碼運(yùn)算的同時(shí)提高了芯片的靈活性與適應(yīng)性。 圖6 后量子密碼Kyber處理器芯片架構(gòu)及版圖 圖7 靈活指令集型后量子密碼處理器芯片架構(gòu)及版圖

提出了一種可優(yōu)化的非絕熱和樂量子計(jì)算新方案, NHQC+，打破了以往和樂量子計(jì)算（基于非對(duì)易幾何相位的量子計(jì)算）對(duì)不同能級(jí)的耦合脈沖必須同步、脈沖面積必須固定的嚴(yán)格限制,使得幾何量子計(jì)算可與優(yōu)化控制理論相結(jié)合，并且大大提高了幾何量子門對(duì)系統(tǒng)噪聲魯棒性，為進(jìn)一步拓展到可結(jié)合脈沖整形技術(shù)的幾何量子計(jì)算提供了可能。論文第一作者、2018級(jí)哈工大-南科大聯(lián)培博士生劉寶杰稱，新方案NHQC+只需要用一個(gè)三能級(jí)量子體系就可以實(shí)現(xiàn)，相比之前需要應(yīng)用復(fù)雜脈沖序列同

翁文康和他的博士生劉寶杰提出的新方案使用了一個(gè)三能級(jí)量子體系，其中基態(tài)和第二激發(fā)態(tài)被用作為量子比特的0和1態(tài)，第一激發(fā)態(tài)作為一個(gè)輔助能級(jí)。通過施加和體系兩個(gè)量子躍遷接近共振的微波信號(hào)，并控制信號(hào)隨時(shí)間的變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)演化產(chǎn)生的幾何量子相位的精確調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)任意指定的幾何量子門。相對(duì)其他已有的幾何量子門方案，新方案中量子門速度得到了數(shù)倍的提升，并且對(duì)控制信號(hào)誤差具有更好的容錯(cuò)性。此外，這一方案還具有實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度相對(duì)較低和易于在不同量子體系上實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。陳遠(yuǎn)珍和他的博士后嚴(yán)通行合作，在超導(dǎo)量子體系中成功實(shí)現(xiàn)了這一方案。實(shí)驗(yàn)中獲得的單比特量子門保真度達(dá)到了97%，引起誤差的主要原因包括量子比特和環(huán)境相互作用導(dǎo)致的退相干，以及微波控制信號(hào)的精度誤差等。 這項(xiàng)工作對(duì)于進(jìn)一步發(fā)展基于幾何相位的量子計(jì)算具有啟發(fā)意義，其后續(xù)相關(guān)研究目前也在開展之中，包括基于相同思想的兩比特幾何量子門和更為簡(jiǎn)化的幾何量子計(jì)算方案等。