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項目成果/簡介:1）提出冷原子實現和探測相對論狄拉克粒子的理論,并預言可觀測相應的拓撲相變，被斯坦福、ETH和Nice大學的實驗觀察到。2）揭示了幾何相位和量子相變的內在定量聯系。3）是國際上最早研究冷原子幾何相位誘導規范勢的少數理論組之一，提出實現原子自旋霍爾效應理論，并被NIST實驗實現。冷原子相對論效應和誘導規范勢已逐步成為當前量子模擬的新熱點研究。4）提出了非絕熱和非常規幾何量子計算理論，解決了原絕熱理論不易在實際體系中實現的困難，已被7個獨立實驗驗證。發表的20 篇核心論文中，PRL10 篇，被Nature、Science、PRL等SCI 論文他引1137次，8篇代表論文他引602次。

1）提出冷原子實現和探測相對論狄拉克粒子的理論,并預言可觀測相應的拓撲相變，被斯坦福、ETH和Nice大學的實驗觀察到。2）揭示了幾何相位和量子相變的內在定量聯系。3）是國際上最早研究冷原子幾何相位誘導規范勢的少數理論組之一，提出實現原子自旋霍爾效應理論，并被NIST實驗實現。冷原子相對論效應和誘導規范勢已逐步成為當前量子模擬的新熱點研究。4）提出了非絕熱和非常規幾何量子計算理論，解決了原絕熱理論不易在實際體系中實現的困難，已被7個獨立實驗驗證。發表的20 篇核心論文中，PRL10 篇，被Nature、Science、PRL等SCI 論文他引1137次，8篇代表論文他引602次。

本方法以丙三醇作為溶劑及碳源快速制備大量粒徑小于 10 nm 的碳量子點。這種碳量子點的熒光量子產率能夠達到 30 %左右。制 備好的碳量子點,不需要任何提純即可與成膜性較好的高聚物混合得 到熒光碳量子點薄膜。而且這種碳量子點毒性低，水溶性好，熒光量 子產率高，在細胞及活體成像方面表現出顯著優勢。總之，該制備方 法簡單易行，材料來源廣泛且廉價，產率大。所得的熒光碳量子點具 有熒光量子產率高、易成膜、低細胞毒性且耐光漂白等性質，已經作 為生物成像劑用于細胞的熒光共聚焦成像

以丙三醇作為溶劑及碳源快速制備大量粒徑小于 10 nm 的 碳量子點。這種碳量子點的熒光量子產率能夠達到 30 %左右。制備 好的碳量子點,不需要任何提純即可與成膜性較好的高聚物混合得到 熒光碳量子點薄膜。

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。

在 雙金屬氮雜富勒烯 Gd2@C79N 的分子結構和量子比特行為這一體系中可以實現對任意疊加態的操控，并可應用于 Grover 算法中。直流磁化率測試表明，碳籠上氮原子取代引入的自由基轉移到內部釓離子之間，并與兩個釓離子發生強的鐵磁耦合（耦合常數 JGd-Rad = 350 ± 20 cm-1 ），使體系呈現出 S = 15/2 的高自旋基態。連續波電子順磁共振（ cw-EPR ）測試在 0-6000 G 磁場范圍內觀測到了 22 個躍遷，通過自旋哈密頓量的擬合可以確定 Gd2@C79N 中豐富的多能級結構。脈沖 EPR （ pulse EPR ）則可以通過自旋回波（ spin echo ）信號研究體系中的退相干行為。在 5 K 溫度下， 2-6000 G 磁場范圍內，高自旋 Gd2@C79N 仍然具有微秒量級的退相干時間， 如此長的退相干時間使得對任意自旋疊加態的操控成為可能。自旋回波章動實驗證明了體系中多樣性拉比循環（ Rabi Cycle ）的存在，拉比頻率則可由旋轉波近似的方法從 22 個躍遷推演計算，并且得到與實驗數據一致的結果，進一步驗證了 Gd2@C79N 的 22 個躍遷非常適合用于量子操作。

1. 痛點問題 量子計算機是基于量子力學原理的通用計算設備，其基礎邏輯單元是遵守量子力學原理的量子比特。基于其并行計算的特性，量子計算機在解決某些特定問題時相對于經典計算機具有指數級的加速，在未來的基礎科學研究、量子通訊及密碼學、人工智能、金融市場模擬、氣候變化預測、藥物模擬、新材料發現等需要強大算力的領域中具有廣泛的應用前景。目前國際上已出現眾多的量子計算商業項目，例如美國的IonQ、霍尼韋爾、谷歌、IBM、亞馬遜、微軟等，以及國內的騰訊、阿里巴巴、百度、華為、字節跳動等公司。 目前有若干種物理平臺有望實現大規模量子計算，其中離子阱量子計算平臺在衡量量子計算性能的各項指標方面表現優異，是最有可能實現量子計算機的平臺之一。應用于離子阱量子計算機的量子計算尋址裝置是離子阱量子計算機必不可少的部件。量子計算尋址裝置的功能是利用操控激光對任意空間位置、任意數量的量子比特的狀態進行實時操控。 2. 解決方案 本成果的量子計算尋址裝置提出了一種全新的結構來實現量子比特的尋址，該系統采用兩個尋址單元協同操作以實現一維量子比特尋址操控。而利用多個尋址單元及相應的控制手段可實現二維與三維量子比特尋址操控。本發明增加了尋址操控系統的信道容量，可實現離子型量子計算機內任意量子比特進行尋址操控并消除了尋址操控系統引入的誤差；可實現對量子計算機上任意量子比特進行任意比特量子邏輯門操作；可根據離子量子比特在空間分布及量子態來優化尋址系統并動態反饋，可靈活實現復雜的量子算法及量子糾錯。 合作需求 尋求量子計算方向的企業開展業務合作。

用于量子保密通信、近紅外探測成像、高速量子光通信、激光雷達探測。 針對單光子探測需求，提取關鍵技術參數，通過多次半導體器件仿真優化，最終得到外延結構設計。結合 13 所 自主外延生長技術與精準的鋅擴散方案，最終實現較為成功的 GM-APD 芯片。該芯片已經成功達到量子保密通信中單光子探測需求，并在安徽問天量子技術有限公司的產品中得到應用。 

 網絡與信息安全是我國的戰略發展重點之一，針對網絡與通信系統在數據安全傳輸方面的緊迫需求，獨辟蹊徑地利用連續變量量子密碼技術，解決了量子密鑰分配系統中“輸出密鑰率低”、“多信號融合性差”、“抗干擾能力弱”、“實際安全性差”等工程應用中的核心技術問題，極大地推動了量子保密通信技術在實際系統中的應用。 量子保密通信有單光子和連續變量量子保密通信兩種實現方式，我們集中研究連續變量量子保密通信技術，在理論和實驗研究方面取得了重要突破，先后完成了國際上最長安全傳輸距離(150公里)、國際上最高系統速率(100MHz)和CWDM環境下最高密鑰率(1Mbps@25km)的連續變量量子密碼通信實驗，研制出國際上首套高速連續變量量子密鑰分配工程樣機(52kbps@50km)和國際首套智能量子黑客安全監控系統原理樣機，為華為公司研制出了一套到達商用要求的連續變量量子密鑰分配工程樣機，并利用上海交通大學校園網完成了國際上首次連續變量量子密碼通信外場測試試驗。 所取得的研究成果到達國際領先水平，受到了國內外媒體、國家密碼管理局、華為公司等相關部門的高度關注，在網絡與信息安全領域產生了重要影響。國際最長安全傳輸距離的連續變量量子密鑰分配實驗系統(150km安全傳輸距離)國際最高速的連續變量量子密鑰分配實驗框圖(100MHz系統時鐘)國際最高速的連續變量量子密鑰分配實驗框圖(100MHz系統時鐘)國際上首套高速連續變量量子密鑰分配工程樣機（52kbps@50km，時鐘25MHz）國際上首套智能量子黑客安全監控系統原理樣機