刘奇航及其合作者以最近由中科院物理所领衔的研究团队发现的ZnCu3(OH)6BrF为例，采用修正后的单体平均场密度泛函理论方法，对这一体系的本征和掺杂行为进行了详尽的模拟。研究发现，ZnCu3(OH)6BrF掺杂后，掺入的电子并没有成为期待的“自由载流子”，而是局域在一个铜原子周围，引起了局域形变。这种电子与束缚它的晶格畸变的复合体称为极化子（如图一所示）。本征材料的带隙中形成新的电子态。因此，电子掺杂后，ZnCu3(OH)6BrF并没有实现半导体到导体的转变。相比之下，具有类似CuO4局部环境的铜氧化物高温超导体的母体材料Nd2CuO4显现除了不同的随掺杂浓度变化的导电性。研究发现，低掺杂浓度时，铜原子附近形成较为扩展的极化子，因此在高掺杂浓度时，这些极化子之间的跃迁可以使系统导电性大大增加，实现半导体到导体的转变，与实验观测很好地吻合。 该研究圆满地解释了最近实验上观测到的Kagome晶格的锌铜羟基卤化物在掺杂后并不导电的现象，指出要在量子自旋液体实现超导，仅仅找到量子自旋液体体系是远远不够的，还必须实现有效掺杂，注入一定浓度的“自由载流子”，为耕耘在该领域的实验工作者提出了新的挑战和实验方向。

基本概念：双面高温超导涂层导体是指用薄膜沉积的方法将微米级高温超导薄膜材料制备在厚度为几十到一百微米、宽度为几毫米到几厘米、长度为百米到几千米的Ni合金薄带的两个表面上，使其具有承载大电流能力的带状材料。 主要功能与应用领域：在液氮温区，双面高温超导涂层导体具有每厘米宽度上承载几百安培、甚至超过1000安培电流的能力，并且适合高场下的应用，因此，特别适合于大电流、强磁场下的应用。双面高温超导涂层导体可用于大电流电缆、大电流限流器、高功率变压器、小型化强场磁体、高功率发电机、电动机、电磁弹射器、电磁储能器的制作。 图1 双面高温超导涂层导体结构示意图 图2 双面高温超导涂层导体样品照片 特色及先进性：本团队研制的双面结构高温超导涂层导体具有承载电流水平高、制作成本低的特点。我们采用溶液涂覆平整化+离子束辅助沉积+中频反应磁控溅射+金属有机化学气相沉积+直流磁控溅射的技术路线完成各层薄膜的制备，由于采用发明的基带自加热结合两面同时沉积的方法，带材成本大幅降低，制备效率显著提高。 技术指标：短样Jc大于1.8MA/cm2，双面Ic超过500A/cm；长度>10米，Ic>300A/cm。 能为产业解决的关键问题和实施后可取得的效果：本成果目前主要应用于电力电子、国防军事、以及医疗领域，应用前景广阔。超导电力技术是从根本上为降低电力系统损耗、提高电力系统输送能力、有效限制故障短路电流、提高电网的安全性和改善电力系统动态特性开拓的新技术途径，给电力、能源、交通等有关的科技业带来革命性的发展；利用高性能的超导带材研制的电磁弹射器与蒸汽弹射器相比，体积、重量减少一半，弹射能增加了50%，弹射效率提高了10倍以上，满足了重型舰载机弹射的需要；高性能的超导带材使得高能脉冲武器（激光、微波、粒子束）及电磁炮等新概念武器的实战化成为可能；采用高温超导磁体制成的核磁共振成像仪，损耗低（比铜低1000倍）、灵敏度高、信噪比好，可以大大提高成像质量、降低成本，这种超导磁共振成像设备不仅可以用在大型的医疗机构中，也可以用在小型诊所，对于提高生命的质量意义重大。

双面高温超导涂层导体是指用薄膜沉积的方法将微米级高温超导薄膜材料制备在厚度为几十到一百微米、宽度为几毫米到几厘米、长度为百米到几千米的Ni合金薄带的两个表面上，使其具有承载大电流能力的带状材料。

高温超导磁悬浮车是一种悬浮和导向不需要电源、不需要控制的自稳定悬浮系统，它通过车载块状高温超导体与磁性轨道之间的电磁作用力实现车体的稳定悬浮。“高温”是相对“低温”超导体而言，具体指零下196℃（液氮）温度。高温超导磁悬浮车具有自重轻，结构简单，制造和运行成本低，安全舒适，节能和无电磁污染等独特优点。本新技术成果来自国家和省部级科技计划，获得国家发明专利授权。

为了实现高载流、准各向同性的目标，对涂层导体临界电流各向异性、稳定性、机械特性、失超及恢复特性、过流特性进行理论和实验研究，建立涂层导体临界电流各向异性模型。对涂层导体面外弯曲特性、扭绞特性进行了系统实验研究。 在此基础上，提出准各向同性涂层导体股线的概念，设计制作了铜包套、铝包套和不锈钢包套股线的圆截面和方形截面股线，对股线进行临界电流、交流损耗、拉伸和弯曲、扭绞特性、稳定性、失超及恢复特性、过流特性进行系统理论和试验研究。 分析和实验研究正常导体与涂层导体之间的电流转移长度，为超导股线与正常导体端部焊接提供了技术依据。对激光焊接不同金属材料功率进行实验探索，获得不同包套材料所需激光焊接功率；研制加工模具，在现有光缆生产线上，实现了10米长圆截面超导股线的加工。并对10米股线长样进行了临界电流实验。

北京大学物理学院的贾爽研究员和中科院强磁场科学中心的张警蕾研究员、南方科技大学的卢海舟教授等组成的研究团队对外尔半金属材料TaAs等在强磁场下的磁性质进行了深入研究。利用磁扭矩探测和平行磁化率探测技术，他们发现当外尔电子在强磁场下进入量子极限时，其横向和纵向磁化率都表现出强烈的不饱和性。这一强磁场下的不饱和磁性与非相对论型的拓扑平庸电子呈现的饱和磁性截然相反，是相对论型的电子所独具的指针性属性。 由于各种拓扑电子材料的能带对于包括自旋轨道耦合以及化学势在内的各种参数高度敏感，决定电子拓扑性质的能量尺度可能小至毫电子伏特量级，因此通常的谱学测量如角分辨光电子谱等往往无法分辨能带的细节。而普通的电输运测量只能表征费米面的贝里曲率，无法区分相对论型的电子能带是否存在能隙。这项对于拓扑电子材料的磁性研究，结合了理论计算与强磁场下的实验表征，提出了探测相对论型的电子的一种决定性指针。该工作已在《自然•通讯》上发表 Nature Communications 10, 1028 (2019).Magnetic responses of the non-relativistic and relativistic fermions a, b, c, d: The energy bands of non-relativistic (parabolic-band) fermions; g, i, h, j: The energy bands of -relativistic fermions; e, f: Calculated parallel magnetization (M||) and effective transverse magnetization (MT) of non-relativistic fermions are saturated in strong magnetic field. k, l: Non-saturated M of relativistic fermions. 此项工作的通讯作者为贾爽研究员，中科院强磁场科学中心的张警蕾研究员和南方科技大学的卢海舟教授；第一作者为量子材料中心博士生张成龙和南方科技大学的王春明教授。同时，这项研究受到国家自然科学基金（No. U1832214, No.11774007）国家重点研究计划（2018YFA0305601）以及中科院先导研究计划（XDB28000000）等的支持。

量子隧穿是微观世界的基本现象，它是指粒子可以像波一样地穿过有阻碍的区域（即势垒），是微观粒子的波粒二象性的一个具体表现。如今，量子隧穿的概念已经渗透到物理学的方方面面，比如广泛使用的扫描隧道电子显微镜、半导体异质结等。然而，关于量子隧穿却有一个基本问题充满着争议，那就是隧穿的过程是否需要时间？如果需要时间那又该如何测量呢？自量子力学诞生以来，这个问题一直伴随着量子力学的发展而争论至今。 随着超短激光脉冲的问世，人们一直努力、希望在强场隧道电离的范畴来解决这个的重要争议问题。随即，学术界提出了可以通过阿秒钟方案测量隧道电离的发生时间（即时间延迟），阿秒钟巧妙地将隧穿时间延迟转化为光电子发射角的偏移，然而对于实验结果，大家一直未取得一致的看法。学术界通过十多年的研究，基本上形成了两种对立的观点，即瞬时隧穿（隧穿几乎不需要时间）与延时隧穿（隧穿需要百阿秒量级的时间），各自都有相应的理论与实验支持。似乎这两种观点充满矛盾、不可调和！量子隧穿的示意图量子隧穿可以看作是微观粒子的“穿墙术”增强型阿秒钟的原理。（a）线偏振的二次谐波打破了圆偏振的基频光的对称性，标记了最大值激光电场的方向与时刻。（b）不加二次谐波时测量的光电子动量谱。（c）加入标记光场后测量的光电子动量谱。 传统的阿秒钟是采用单个椭圆偏振或近圆偏振的激光脉冲，因此传统阿秒钟的校准依赖于少周期激光的载波包络相位和椭偏率的确定，它们的噪声抖动会给阿秒钟的测量带来很大的误差。日前，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”刘运全教授和龚旗煌院士领导的研究小组，提出并实现了一种全新改进型阿秒钟，在一束圆偏振飞秒激光场中加入了另一束线偏振的倍频光来校准阿秒钟，使得光电子发射角的偏移量的定标更加精准。这种增强型阿秒钟使得隧穿时间的测量更加准确可靠。理论上还证明了上述两种看似对立的隧穿图像可以被统一在同一个理论框架下进行描述。在强场近似理论框架下，他们分别建立了瞬时隧穿图像以及基于Wigner表象的延时隧穿图像，对于增强型阿秒钟的实验结果，这两种隧穿图像的理论结果都与实验结果相符合。因此，这是第一次使用同一个理论框架和同一个实验完美地统一了这个长期的学术争议，为隧穿时间研究提供一种思路。

在高晶体质量的狄拉克半金属Cd3As2纳米线中观测到手征反常导致的负磁电阻效应（Nat. Commun. 6, 10137 (2015)）；并借助于纳米线比表面积大的优势，测量到起源于拓扑表面态输运的π A-B效应(Nat. Commun. 7, 10769 (2016); Phys. Rev. B 95, 235436（2017）)。 最近，他们通过输运测量首次在狄拉克半金属Cd3As2纳米线中观测到连续体态和离散表面态耦合产生的Fano共振现象。研究表明直径约为60 nm的Cd3As2纳米线的表面态能带会发生劈裂，通过栅压调制费米能级到一个表面态子能带的带底时，会呈现出零偏压微分电导峰；在磁场作用下，由于塞曼效应，零偏压电导峰会发生劈裂，测量得到表面态的朗德因子为32；Fano共振进一步导致零偏压微分电导峰随偏置电压具有非对称的线形，并可能对材料中起源于“外尔轨道”的量子振荡频率产生修正。这项工作对于深入研究拓扑半金属的输运性质，以及设计实现可电学调控的Fano体系有着重要意义。图1. Cd3As2纳米线中量子限制效应引起的电导振荡；(b)栅压调制的微分电导谱。

北京大学物理学院现代光学所王剑威研究员与意大利罗马大学Fabio Sciarrino教授、英国布里斯托尔大学Anthony Laing和Mark Thompson教授，受邀在国际著名刊物《自然-光子学》（Nature Photonics）上撰写综述文章，介绍“集成光量子技术”这一新兴领域的基本科学原理和前沿进展。 量子技术利用量子物理基本原理，通过操控光或物质的量子叠加和量子纠缠等内禀属性，其信息处理能力有望从根本上超越经典范畴的信息技术。集成光量子芯片技术是一门结合了量子物理、量子信息、集成光子学和微纳制造等学科的前沿交叉技术，通过半导体微纳加工制造，有望实现高性能且大规模集成的光量子器件和系统，达到对作为量子信息载体的单光子进行高效处理、计算和传输等功能。 国内外对集成光量子芯片技术的研究取得许多重要进展 2008年，国际上首次实现了基于二氧化硅平面光波导体系的量子受控纠缠门和量子干涉，开创了集成光量子芯片领域的先河。在过去十年间，国内外对集成光量子芯片技术的研究,取得了许多重要进展，目前已实现了片上光量子态的制备、量子操控以及单光子探测等核心功能，并且器件集成度和功能复杂度也都得到了大幅度提高。综述总结了集成光量子芯片的主流材料体系、核心量子光学元器件，及其量子信息的前沿应用，包括量子密钥分发和通信、物理和化学系统的量子模拟、量子玻色取样、光量子信息处理和计算等。 集成光量子芯片的材料体系目前主要采用硅基绝缘体上、铌酸锂、激光直写二氧化硅、氮化硅、氮化嫁、磷化铟等光波导材料。核心器件主要包括集成单光子源与纠缠光子源、可编程大规模集成光路、集成单光子探测器等，其中量子光源主要有非线性参量型量子光源和固态量子点型量子光源，而单光子探测主要通过超导纳米线探测和过度边缘感应传感来实现。这些核心光量子集成器件的性能均取得了很大程度的提升。与此同时，集成光芯片平台上也已经逐渐发展出一套可以将量子信息精确加载在单光子的路径、偏振、时间、空间、频率等不同自由度的方法，为该技术的发展提供了广阔的便利性和多样化。 集成光电子器件在经典通信系统中一直起着举足轻重的作用，可以预期其也将在量子密钥分发和量子通信中起到重要作用，特别是微小型、低成本、高性能的量子通信收发芯片的发展，将有助于进一步降低成本、提高可靠性，推进其实用化进程。目前，量子通信的几种主要协议，包括制备-测量类的通信协议以及基于纠缠分布和量子隐形传态类的协议等，已先后在硅基、磷化铟、氮化硅等光子芯片上得到实验验证。另外，全集成型量子真随机数发生器也有很多实验实现，并有望在不远的将来提供微小型、高速和低成本的真随机数发生器。 量子线路模型和基于测量的单向量子计算模型是实现通用量子计算的主流模型。光学量子计算的线路模型实现方案存在扩展性困难，但基于测量的光量子计算可以大大降低需要的物理资源，并可实现通用量子计算。在可编程的光量子芯片平台上，目前已成功实验验证了Shor因数分解算法、Grover搜寻算法、优化算法等重要算法，并可在单一芯片实现多种复杂量子信息处理功能。近年来，片上制备并操控复杂量子态，包括高维量子态、多光子纠缠态、图纠缠态等，均已在硅基和二氧化硅等平台实现。值得一提的是，集成光量子芯片的高可编程性、高稳定性、高保真度，为通用量子计算的实现提供了基础。 量子玻色取样和量子模拟被认为是量子计算的短期实现目标和重要应用方向。触发型玻色取样和基于量子点光源的玻色取样，被认为是实现具备“量子优势”的玻色取样量子计算的有效技术方案，有望超越经典计算机计算能力，其中前者已实现芯片上量子光源和线性网络的全集成，而后者最近在中科大发布的一个论文预印本中报道了20光子60模式玻色取样的重要突破。集成光量子芯片体系已实验验证了离散型和连续型的量子漫步功能，并可用于模拟复杂的物理和生物过程。同时，集成光量子模拟器也成功验证了多种典型的量子模拟算法，有望有效地模拟化学分子动力学过程。

作为信息化时代各领域发展的重要基础与保障，信息安全是一个不容忽视的国家安全战略。当今信息安全领域广泛使用的公钥密码体制主要都是基于经典计算机“难以求解”的数学问题所设计构造的。近些年来，随着量子计算技术的快速发展，传统公钥密码体制不再安全。一方面，Shor算法、Grover搜索算法、量子傅里叶变换等算法相继被提出，从理论上证明这些算法在量子计算机上运行可以显著缩短传统公钥密码体制所依赖数学问题的求解时间。另一方面，实际可行的量子计算机技术不断发展，2019年，Google宣布制造出53量子比特的量子处理器“悬铃木”，在绝对零度条件下可以在200秒完成超级计算机1万年的计算任务。在即将到来的“后量子时代”，我们需要更安全的密码体制来保护隐私，也就是后量子密码（Post-QuantumCryptography,PQC）。未来10年商用量子计算机将面世，在量子计算机面前，构造传统公钥密码体制所基于的数学难题将毫无安全性可言，进而依赖密码体制而构建的信息安全系统及各种应用将面临着严峻的安全问题，甚至存在被完全破解的潜在威胁，亟待研究抵御量子攻击的密码体制及其芯片实现技术。 2022年美国政府正式签署安全法案，首次将后量子密码纳入美国国家安全备忘录，同时还提出《量子计算网络安全准备度法案》，旨在指导推动信息安全系统向后量子密码学过渡。2022年9月7日，美国国家安全局(NSA)发布了《商业国家安全算法套件2.0》，其中将入选第三轮抗量子密码标准化选择的CRYSTALS-KYBER(以下简称Kyber)算法列为国家安全系统未来过渡迁移的必备算法。我国也在后量子密码领域积极跟进，参与国际竞争，于2020年发布国内首份量子安全白皮书，广泛布局后量子密码安全技术应用与产业生态。目前后量子密码算法的研究正在逐渐走向成熟与标准化，未来将有数十亿新旧设备完成从传统公钥密码体制向后量子密码算法的迁移过程。在充分考虑安全性能、算法性能、便利性和合规性的前提下，研制出符合国际标准且具有国际竞争力的后量子密码SoC芯片并应用，对于我国加快抢占后量子密码国际领先地位，保障量子时代下的信息安全具有重要意义。 图1 后量子密码在未来信息安全领域的应用 本成果提出一种应用在云计算、数据中心加密中的高性能随机数生成哈希核心算子，实现了具有灵活性和高吞吐量的可配置Keccak核心。该核心可配置为支持多个采样策略，通过高吞吐量随机数扩展发生器新型结构达到11.7Gbps的吞吐率，性能表现为目前世界最高水平。 图2 高性能后量子密码哈希核心算子 在国际上首次提出了具有侧信道SPA攻击防御机制的可配置BS-CDT高斯采样器。该设计基于CDT反演高斯采样算法，通过真随机数发生器和随机化功耗特性的电路结构，采取隐藏相关数据的防御机制，高效获取安全性更好的均匀分布随机数，并可以有效抵御时间攻击和潜在的功耗分析攻击，显著提高安全性。电路采样精度可达112bit，新型多级快速查找表结构极大缩短了概率函数分布表搜索时间，性能相较于同类设计提升近18倍。解决了高精度需求与采样速度不匹配的冲突问题，优化了概率函数分布表的存储资源，灵活划分密码系统中的高斯采样值，并有效加固了后量子密码系统数据前级的侧信道安全性。 图3 多模域计算兼容可重构算术单元 针对后量子密码计算量大，数据复杂的痛难点，优化格数学难题中的数论变换（NTT）算法，实现了一种高性能NTT硬件加速单元。采用双倍位宽乒乓式对称存储结构突破访存限制，改进模乘运算单元关键结构，提高多项式运算的效率，相比同类运算操作下最先进的设计快3.95倍。 图4 灵活指令集型后量子密码安全处理器芯片架构及版图 针对后量子密码算法的多样化计算需求，创新性地提出了一种多模域计算兼容型可重构核心算子，能够配置为不同模域下的关键运算结构，灵活支持Karatsuba、Toeplitz、NTT等运算结构。在配置为NTT结构的运算下，运算性能与美国MIT研究团队在IEEEISSCC发表的相关成果保持国际同步水平，并具备更强的灵活性与通用性。 图5 多模域计算兼容型可重构核心算子 在团队积累多年的后量子密码相关先进技术研究的基础上，在SMIC40nm工艺下实现了两款后量子密码芯片，能够兼容国际最新标准的CRYSTAL-Kyber后量子密码算法。后量子密码Kyber芯片采用了高性能流水线结构的蝶形运算单元及高速NTT运算单元，解决了加解密运算中访问存储器所带来的速度瓶颈问题。灵活指令集型后量子密码芯片采用可编程自定义指令集架构，基于多模域计算兼容的可重构算术单元与可配置多功能哈希/随机采样核心算子，在实现高性能的后量子密码运算的同时提高了芯片的灵活性与适应性。 图6 后量子密码Kyber处理器芯片架构及版图 图7 灵活指令集型后量子密码处理器芯片架构及版图