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

1.设计独立的量子芯片操控层与量子芯片读取层，利用三维芯片结构提升量子芯片的线路密度与集成度； 2.设计新的量子比特操控信号调制方法，提高量子逻辑门操作的保真度。 3. 开发兼容于超导量子芯片的工艺材料与立体封装工艺技术。 4.设计能实现更大增益-带宽积特征参数的约瑟夫森量子参数放大器结构。 5.利用大规模硬件同步技术以及基于 PXI 等高速扩展架构的集成技术。 6.在逻辑控制板中原位实现量子芯片读取信息的处理。 7.利用 FPGA 实现量子算法序列到量子比特操控信号序列的实时生成与组合，使得用户可以在直接在量子编译器层面对量子芯片进行编程操作。 

北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”王剑威研究员和龚旗煌院士领导的课题组，与英国、丹麦、奥地利和澳大利亚的学者合作，实现了硅基集成光量子芯片上的多体量子纠缠和芯片-芯片间的量子隐形传态功能，为芯片上光量子信息处理和计算模拟的应用，奠定了坚实的基础。相关研究成果于近日发表在国际顶级物理期刊Nature Physics(https://www.nature.com/articles/s41567-019-0727-x)。 集成光量子芯片技术，结合了量子物理、量子信息和集成光子学等前沿学科，通过半导体微纳加工制造高性能且大规模集成的光量子器件，实现对光量子信息的高效处理、计算和传输等功能。其中，利用硅基平面光波导集成技术的光量子芯片具有诸多独特优势，包括集成度高、稳定性好、编程操控性优越和可单片集成核心光量子器件等，因此被认为是一种实现光量子信息应用的重要手段之一。 A. 硅基量子隐形传态和多光子量子纠缠芯片的示意图，左上角为集成量子光源的电子显微镜图；B. 量子隐形传态的量子线路图；C. 量子纠缠互换的量子线路图；D. GHZ纠缠制备的量子线路图 北京大学研究团队与布里斯托尔大学、丹麦科技大学、奥地利科学院、赫瑞-瓦特大学和西澳大利亚大学科研人员密切合作，在硅基光量子芯片技术和应用方面取得了突破性进展。研究团队发展了一种基于微环谐振腔的高性能集成量子光源，通过硅波导的强四波混频非线性效应，实现了光子全同性优于90%、无需滤波后处理的50%触发效率的单光子对源，达到了对4组微腔量子光源阵列的相干操控，片上双光子量子纠缠源的保真度达到了92%。团队实现了关键的可编程片上双比特量子纠缠门，可以按照功能需要切换贝尔投影测量和量子比特焊接操作，通过量子态层析实验确认了高保真的双比特纠缠操作。 研究团队在单一硅芯片上实现了高性能量子纠缠光源、可编程双比特量子纠缠门，以及可编程单量子比特测量的全功能集成，进而实现了三种核心量子功能模块——芯片上四光子真纠缠、量子纠缠互换、芯片-芯片间的高保真量子隐形传态。通过对两对纠缠光子对进行量子比特焊接操作，团队实现并判定了四比特Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 真量子纠缠的存在；通过对两对纠缠光子中各一个光子进行贝尔投影操作，实现了量子纠缠互换功能，使来自不同光子源的光子间产生了量子纠缠；利用两个芯片间的量子态传输和量子纠缠分布技术，实现了两个芯片间任意单量子比特的量子隐形传态，达到了近90%的隐形传态保真度。 团队研制的硅基多光子量子芯片尺寸仅占几平方毫米，比传统实现方法小了约5-6个数量级，不仅达到了器件的微型化，同时具备了单片全功能集成、器件编程可控、系统性能优越等特点，其中量子隐形传态保真度优于已报道的其它物理实现方法。多体量子纠缠体系的片上制备与量子调控技术，为片上量子物理基础研究和片上光量子信息处理传输、量子计算模拟的应用提供了重要基础。

用于量子保密通信、近红外探测成像、高速量子光通信、激光雷达探测。 针对单光子探测需求，提取关键技术参数，通过多次半导体器件仿真优化，最终得到外延结构设计。结合 13 所 自主外延生长技术与精准的锌扩散方案，最终实现较为成功的 GM-APD 芯片。该芯片已经成功达到量子保密通信中单光子探测需求，并在安徽问天量子技术有限公司的产品中得到应用。 

TDA（芯片热设计自动化）软件是清华航院曹炳阳教授团队全自主研发的国际首个芯片跨尺度热仿真与设计系统。TDA软件可实现芯片从纳米至宏观尺寸的热设计与仿真，支持芯片微纳结构内部热输运过程的模拟研究，直接提高芯片热仿真精度与结温预测准确度，进而提高芯片性能、寿命和可靠性。

        技术成熟度：技术突破         研发团队以设计制备宽光谱超材料吸收器和像元级集成红外探测器为研究主线，在超薄宽带高吸收原理与策略、材料/器件设计与制备方面取得了突破性进展。围绕器件吸收率低、噪声等效温差（NETD）大、集成兼容性差的难题，提出了无损与损耗型介质结合、多模谐振耦合光吸收的思路，获得超薄宽带高吸收率材料；提出将超薄宽带高吸收率材料与非制冷红外探测器像元级集成新思路，获得了宽谱、NETD小、多色探测的非制冷红外探测器，NETD降低3倍，研究成果已在中国兵器北方夜视广微科技应用转化。         意向开展成果转化的前提条件：中试放大及产业化工艺开发资金支持

国际上第一个铌酸锂有源光量子芯片 一、项目分类 重大科学前沿创新、关键核心技术突破 二、成果简介 南京大学物理学院祝世宁院士的科研团队，研制出国际上第一个铌酸锂有源光量子芯片。该芯片集成了微型化光学超晶格纠缠光源、波导量子干涉器、波分复用器及电光调制器等不同功能器件,实现了纠缠光子的高效产生、高速电光调制并完成相应的信息处理功能。该芯片由光纤耦合输入输出,能在室温稳定工作，工作电压低于3.55V，调控速率可达40GHz。芯片的多项核心指标如纠缠光子产率、调谐速率、调谐带宽等创下当时国际最高水平，为光量子集成光学和信息处理开辟了一条和硅基芯片不同的技术路线。 成果以编辑推荐形式发表在物理学顶级期刊《物理评论快讯》(Phys. Rev. Lett. ,2014)上，被国际Physics、IEEE Spectrum等科技媒体重点评述。成果也成功入选中国光学十大进展(2014)，以此为主要成果之一的“光学超晶格中纠缠光子的产生、调控和应用”获2020年高等学校自然科学奖一等奖。以此成果为基础，团队成功获批和完成基金委重大科研仪器研制项目，研制出多种高性能量子光源。

一种三维量子阱结构光电裸芯片，属于一种量子阱结构光电裸芯片，解决现有三维量子阱结构光电裸芯片工作面积有限、工艺复杂、成本高的问题。本实用新型自下而上包括：衬底层、缓冲层、n 型层、量子阱层、p 型层，所述衬底层、缓冲层、n 型层、量子阱层和 p 型层表面形状走向一致，均为均匀分布的凸台阵列或者均匀分布的凹槽阵列，或者均匀分布的相间的凸台和凹槽所构成的阵列。本实用新型增大了衬底层工作面积，在其上直接生长一层缓冲层来进行应力与晶格匹配，克服了工作面积与衬底面积之比较低所带来的量子转换效率低的问题；本实用

利用大规模集成硅基纳米光量子芯片技术，实现对高维度光量子纠缠体系的高精度和普适化量子调控和量子测量。 （图一）基于硅纳米光波导的大规模集成光量子芯片(可实现对高维量子纠缠体系的高精度、可编程、且任意通用量子操控和量子测量)       集成光学量子芯片技术，基于量子力学基本物理原理，使用半导体微纳加工工艺实现单片集成光波导量子器件（包括单光子源、量子操控和测量光路，以及单光子探测器等），可以实现对量子信息的载体单光子进行处理、计算、传输和存储等。集成光学量子芯片具有集成度高、稳定性高、性能好、体积小、制造成本低等诸多优点。因此，该技术被普遍认为是一种实现光量子信息应用的有效技术手段。      利用硅基纳米光波导技术实现的光量子芯片具有诸多独特优点，例如与传统微电子加工工艺兼容、可集成度高、非线性效用强、以及工作波长与光纤量子通信兼容等。然而，迄今为止光量子芯片的复杂度仅限于小规模的演示，如集成少数马赫-曾德干涉仪对光子态进行简单操控。因此，我们迫切需要扩大集成量子光路的复杂性和功能性，增强其量子信息处理技术的能力，从而推进量子信息技术的应用。       相干且精确地控制复杂量子器件和多维纠缠系统是量子信息科学和技术领域的一项难点。相对于目前普遍采用的二维体系量子技术，高维体系量子技术具有信息容量大、计算效率高、以及抗噪声性强等诸多优点。最近，多维度量子纠缠系统已分别在光子、超导、离子和量子点等物理体系中实现。利用光子的不同自由度，如轨道角动量模式、时域和频域模式等，可以有效编码和处理多维光量子态。然而，实现高保真度、可编程、及任意通用的高维度量子态操控和量子测量，依然面临很多困难和挑战。       针对上述问题，英国布里斯托尔大学、北京大学、丹麦技术大学、德国马普研究所、西班牙光学研究所和波兰科学院的科研人员密切合作，并取得了突破性进展。研究团队提出并实现了一种新型的多路径加载高维量子态方式，即每个光子以量子叠加态的形式同时存在于多条光波导路径，从而实现了一个高达15×15的高维量子纠缠系统。通过可控地激发16个参量四波混频单光子源阵列，可以制备具有任意复系数的高维度量子纠缠态。通过单片集成通用型线性光路，可对高维量子纠缠态进行任意操控和任意测量。因此，该多路径高维量子方案具有任意通用性。与此同时，团队充分利用集成光路的高稳定性和高可控性，实现了高保真度的高维量子纠缠态，如4、8和12维度纠缠态的量子态层析结果分别为96、87% 和 81%保真度，远超其他方式制备的高维量子纠缠态性能。       更重要的是，团队通过硅基纳米光子集成技术，实现了目前集成度最复杂的光量子芯片（图一所示），单片集成550多个光量子元器件，包括16个全同的参量四波混频单光子源阵列、93个光学移相器、122个光束分束器、256个波导交叉结构以及64个光栅耦合器，从而达到对高维量子纠缠体系的高精度、可编程、且任意通用量子操控和量子测量。       研究进一步利用该高维光量子芯片技术，验证高维度量子纠缠系统的强量子纠缠关联特性，包括普适化贝尔不等式和EPR导引不等式等，证明量子物理和经典物理定律的重要区别。例如，对4维度量子纠缠态，实验观察得到了2.867±0.014的贝尔参数，不仅成功违背经典物理定律61.9个标准差，而且超过普通二维纠缠体系的最大可到达值的2.8个标准差。研究还首次实现高维量子系统的贝尔自检测和量子随机放大等新功能，例如，对3维度最大纠缠态和部分纠缠态的自检测保真度约为76%，对14维以下纠缠态均实现了量子随机放大功能。

郭国平教授、李海欧教授等人与中科院物理所张建军研究员、纽约州立大学布法罗分校胡学东教授以及本源量子计算有限公司合作，在硅基锗空穴量子点中实现了自旋轨道耦合强度的高效调控，为该体系实现自旋轨道开关以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的指导意义。