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集成光量子技术
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。
北京大学 2021-04-11
后量子密码芯片
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
华中科技大学 2022-09-23
几何量子计算研究
提出了一种可优化的非绝热和乐量子计算新方案, NHQC+,打破了以往和乐量子计算(基于非对易几何相位的量子计算)对不同能级的耦合脉冲必须同步、脉冲面积必须固定的严格限制,使得几何量子计算可与优化控制理论相结合,并且大大提高了几何量子门对系统噪声鲁棒性,为进一步拓展到可结合脉冲整形技术的几何量子计算提供了可能。论文第一作者、2018级哈工大-南科大联培博士生刘宝杰称,新方案NHQC+只需要用一个三能级量子体系就可以实现,相比之前需要应用复杂脉冲序列同
南方科技大学 2021-04-14
超导量子计算研究
翁文康和他的博士生刘宝杰提出的新方案使用了一个三能级量子体系,其中基态和第二激发态被用作为量子比特的0和1态,第一激发态作为一个辅助能级。通过施加和体系两个量子跃迁接近共振的微波信号,并控制信号随时间的变化,可以实现对系统演化产生的几何量子相位的精确调控,进而实现任意指定的几何量子门。相对其他已有的几何量子门方案,新方案中量子门速度得到了数倍的提升,并且对控制信号误差具有更好的容错性。此外,这一方案还具有实验复杂度相对较低和易于在不同量子体系上实现等优势。陈远珍和他的博士后严通行合作,在超导量子体系中成功实现了这一方案。实验中获得的单比特量子门保真度达到了97%,引起误差的主要原因包括量子比特和环境相互作用导致的退相干,以及微波控制信号的精度误差等。 这项工作对于进一步发展基于几何相位的量子计算具有启发意义,其后续相关研究目前也在开展之中,包括基于相同思想的两比特几何量子门和更为简化的几何量子计算方案等。
南方科技大学 2021-04-13
微量子教学板
产品详细介绍   产品特点:   (1)    板材特制 板面使用镀锌钢板,坚固耐用厚实,板面涂层引进日本高科技晶格纳米涂料,哑光性,视觉大于30°不反光。   (2)    哑光米黄色有助于保护视力 德康多功能教学板根据微光量子理论设计,板面颜色为米黄色,视感柔和。米黄色色谱波长在550~770纳米之间,为人眼视网膜最能接受的颜色,有效舒缓眼睛的紧张和疲劳,提高眼睛辨识能力。哑光米黄色设计能营造出最佳视觉环境,有助于保护视力,预防近视。     (3)    直接用作投影幕       传统教室一般是黑板和投影布的结合,投影布上下拉动,易损坏,并且投影布占用黑板板书空间,结构不合理;投影幕布放置时间长了会发黄,影响投影质量。而德康多功能教学板,可直接用作投影幕,投影成像色彩柔和,没有光斑;一体化设计,可以在投影区域内直接书写。是高科技的绿色教学产品,确保师生课堂资源得以最大限度的利用。   (4)    可升级为功能强大的电子白板 配合我司专用软件,即可在板上实现电子白板的全部功能,拥有德康多功能教学板就等于拥有一块投影幕、一块黑板、一块电子白板。而且德康多功能教学板的价格却比它们的总价便宜得多。   (5)    节能环保 板面无任何电子器材附件,不通电,不发热,无辐射。符合现代低碳环保生活要求。
江门市盈江科技有限公司 2021-08-23
婴儿腰椎穿刺模型小儿腰穿模型XM-YYC
XM-YYC婴儿腰椎穿刺模型   一、功能特点: ■ XM-YYC婴儿腰椎穿刺训练模型采用高分子材料制成,肤质仿真度高。 ■ 模型为婴儿真人大小,侧卧位,头向胸前弯曲,双膝向腹部弯曲,双手抱膝,腰背尽量向后弓起,也可模拟坐位。 ■ 棘突间隙、髂后上棘骨性标志明显。 ■ 可实现标准的穿刺体位,穿刺部位为3~4腰椎间隙。 ■ 进针落空感明显,穿刺正确有模拟脑脊液流出。 ■ 婴儿皮肤、椎管可更换。 ■ 可反复进行练习。   二、标准配置: ■ 婴儿腰椎穿刺模拟人:1台 ■ 模拟输液套装:1套 ■ 说明书:1册 ■ 保修卡合格证:1张
上海欣曼科教设备有限公司 2021-08-23
婴儿骨髓穿刺模型小儿骨穿模型XM-YGC
XM-YGC婴儿骨髓穿刺模型   一、功能特点: ■ XM-YGC婴儿骨髓穿刺模型(小儿骨穿模型)为婴儿下半身,采用高分子材料制成,仿真度高。 ■ 双腿胫骨均可进行骨髓穿刺操作,进针落空感明显,可抽出模拟骨髓。 ■ 穿刺后骨面的针孔可用密封泥填充以便继续使用,延长使用寿命。 ■ 每根模拟胫骨的侧面都可以穿刺。 ■ 穿刺部位的皮肤、模拟胫骨均可更换。   二、标准配置: ■ 婴儿骨内灌注模型:1套 ■ 模拟胫骨:4根 ■ 说明书:1册 ■ 保修卡合格证:1张
上海欣曼科教设备有限公司 2021-08-23
时间分辨荧光测控分析仪
一、项目简介时间分辨荧光免疫分析法(TRFIA)具有灵敏度高、特异性强、不受背景荧光干扰等特点,在 POCT 领域有极高的发展潜力。目前,市场上的 TRFIA 分析仪以中大型为主,手持式极少。本项目围绕小型化、低成本等理念,将 TRFIA 技术应用到 POCT 领域。该小型化 TRFIA 测控模块, 尺寸小、成本低、检测速度快、 重复性好、适用于多种稀土螯合物。在无滤光片条件下, 基本达到了小型化 TRFIA 测控模块的性能的极限。二、产品性能优势((((1)使用双自由度调光法,更优良;2)单次采样即可满足精度要求,采样时间更短;3)单/双通道可节省两块滤光片,成本低一半;4)采用基于多点采样数据拟合法的荧光物质浓度测定法。检测方法适用探针多点采样拟合法稀土螯合物;激发波长:365nm~405nm;发射波长:可见光范围;可检最短荧光寿命约 400us调光法LED 电流峰值+LED 电流脉宽检测时间最大采样时间范围为 0~2ms;单次采样时间小于 3ms以 Eu(TTA)3phen 为检测对象,检测限< 0.185mg/L;信号值小于荧光检测限精密度1.5%荧光光强变异系数 CV
西安交通大学 2021-04-10
低信噪比混响时间测量系统
演艺厅堂的音质特性为其最根本的功能性属性,在演艺厅堂的建设中期通过音质参 量的评测可以获得更为合理的改进方案,从而获得更好的音质特性;同时厅堂建后使用 阶段对于满场(坐满观众)时音质参量的评测也是重要的工作;而无论建设中期还是在 满场使用阶段评测工作都很难在较低信噪比下进行都是比较困难的。针对于此我们开发 了在较低信噪比(20dB)下依然可以获得精确的音质参量的测量系统。本系统融合了先 进的抗噪、去噪技术,同时具有全频带多通道一次测量,测试工作效率高,测试数据精 度高的特点,同时可以显示各频带的声能衰减曲线,为测试者提供了判断测量数据有效 性的有力依据,使测量工作科学有效地进行。 
同济大学 2021-04-13
时间敏感网络原型与验证系统
(一)项目背景 工业互联网将给制造行业带来技术革命,各工业强国都已将其纳入国家发展战略。德国政府 在 2011 年推出的《高技术战略》率先推出“工业 4.0”,并在 2013 年的汉诺威工业博览会上正式 推出;同年,美国通用电气(GE)提出了工业互联网概念,受到世界各国广泛关注。在我国制定的“中 国制造 2025”、“新基建” 和“互联网 +”等重大战略中,均明确提出要加快和完善工业互联网 的发展。工业互联网实现人、机、物的互联,通过传感器对工业现场设备进行实时感知,借助大数 据分析技术对各环节实现准确有效的控制,从而提高生产效率。随着我国将推动制造业高端化、智 能化、绿色化的宏伟目标列入“十四五”规划,工业互联网得到了前所未有的发展。时间敏感网 络(Time Sensitive Network, TSN)作为工业互联网的一项关键技术,能够为各生产要素之间信息传 递提供实时性确定性保障,也因此越来越受到重视。时间敏感网络 TSN 的前身是音视频桥接技术 (Audio Video Bridging,AVB),包括流预留协议(Stream Reservation Protocol,SRP)、时间敏感应 用的时序和同步(IEEE 802.1AS)以及时间敏感流的转发和排队增强(IEEE 802.1Qav)等,通过增 强以太网标准提高音视频传输的实时性。2012 年,AVB 工作组正式更名为 TSN。从之前的音视频 领域逐渐扩展到车载以太网领域、工业控制领域甚至本文中的航空航天领域。TSN 的核心思想是提 出可互操作的系统,并支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享,而数据使用相同的程序 逻辑进行分析。TSN 作为二层网络结构,使得越来越多的公司可以利用此结构上实现 OT(Operational Technology)和 IT(Information Technology)的集成。 (二)项目简介 TSN 技术的研究基于网络与交换技术,先后得到了工业界和政府部门的连续多年的课题支持。目前我们已经掌握核心关键技术,基于 FPGA、嵌入式系统和软件,研究并建立了如下原型验证系统:  1. 基于 TSN 的交换系统  支持 4~16 个 1G/10G 以太网接口(光电),流量调度和整形,门控调度、逐流过滤、门控和测量;802.1AS 时钟同步,主从同步精度达到 30~50ns,SyncE 和外部锁相环支持下可达到 1~2ns 2. 基于 TSN 的终端系统 1G/10G 以太网接口(光电),硬件和协议栈业务接口,终端流量调度和整形,门控调度、逐流过滤、 门控和测量;与交换机匹配的 802.1AS 时钟同步  3. TSN 协议分析与测量工具原型 TSN 流量发生器、部分协议测试原型(持续研究开发中)、TSN 流量 TAP 等  4. TSN 业务调度算法和调度软件原型 (三)关键技术 802.1AS 同步技术; 802.1Qav、802.1Qbv、802.1Qci 等流量控制管理技术; TSN 协议分析与测试技术; TSN 业务调度算法;
西安电子科技大学 2023-07-20
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