项目成果/简介:1）提出冷原子实现和探测相对论狄拉克粒子的理论,并预言可观测相应的拓扑相变，被斯坦福、ETH和Nice大学的实验观察到。2）揭示了几何相位和量子相变的内在定量联系。3）是国际上最早研究冷原子几何相位诱导规范势的少数理论组之一，提出实现原子自旋霍尔效应理论，并被NIST实验实现。冷原子相对论效应和诱导规范势已逐步成为当前量子模拟的新热点研究。4）提出了非绝热和非常规几何量子计算理论，解决了原绝热理论不易在实际体系中实现的困难，已被7个独立实验验证。发表的20 篇核心论文中，PRL10 篇，被Nature、Science、PRL等SCI 论文他引1137次，8篇代表论文他引602次。

1）提出冷原子实现和探测相对论狄拉克粒子的理论,并预言可观测相应的拓扑相变，被斯坦福、ETH和Nice大学的实验观察到。2）揭示了几何相位和量子相变的内在定量联系。3）是国际上最早研究冷原子几何相位诱导规范势的少数理论组之一，提出实现原子自旋霍尔效应理论，并被NIST实验实现。冷原子相对论效应和诱导规范势已逐步成为当前量子模拟的新热点研究。4）提出了非绝热和非常规几何量子计算理论，解决了原绝热理论不易在实际体系中实现的困难，已被7个独立实验验证。发表的20 篇核心论文中，PRL10 篇，被Nature、Science、PRL等SCI 论文他引1137次，8篇代表论文他引602次。

本方法以丙三醇作为溶剂及碳源快速制备大量粒径小于 10 nm 的碳量子点。这种碳量子点的荧光量子产率能够达到 30 %左右。制 备好的碳量子点,不需要任何提纯即可与成膜性较好的高聚物混合得 到荧光碳量子点薄膜。而且这种碳量子点毒性低，水溶性好，荧光量 子产率高，在细胞及活体成像方面表现出显著优势。总之，该制备方 法简单易行，材料来源广泛且廉价，产率大。所得的荧光碳量子点具 有荧光量子产率高、易成膜、低细胞毒性且耐光漂白等性质，已经作 为生物成像剂用于细胞的荧光共聚焦成像

本项目将巨霍尔效应这一纳米体系的新效应应用于器件领域，以纳米铁磁金属颗粒薄膜替代现有霍尔器件的掺杂半导体活性层材料，是一个全新的技术，取得了多项具有原始创新性的技术成果，进一步推进了纳米材料在新材料技术、电子信息技术等领域的应用。相关成果已获国家发明专利授权九项。 纳米铁磁金属颗粒薄膜霍尔器件具有的工作温度宽、温度稳定性能优异、抗核辐射等优点，在微弱磁场探测、航天器的精确定位、导航以及军事装备等方面都具有十分重要的用途，市场前景广阔。

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。

在 双金属氮杂富勒烯 Gd2@C79N 的分子结构和量子比特行为这一体系中可以实现对任意叠加态的操控，并可应用于 Grover 算法中。直流磁化率测试表明，碳笼上氮原子取代引入的自由基转移到内部钆离子之间，并与两个钆离子发生强的铁磁耦合（耦合常数 JGd-Rad = 350 ± 20 cm-1 ），使体系呈现出 S = 15/2 的高自旋基态。连续波电子顺磁共振（ cw-EPR ）测试在 0-6000 G 磁场范围内观测到了 22 个跃迁，通过自旋哈密顿量的拟合可以确定 Gd2@C79N 中丰富的多能级结构。脉冲 EPR （ pulse EPR ）则可以通过自旋回波（ spin echo ）信号研究体系中的退相干行为。在 5 K 温度下， 2-6000 G 磁场范围内，高自旋 Gd2@C79N 仍然具有微秒量级的退相干时间， 如此长的退相干时间使得对任意自旋叠加态的操控成为可能。自旋回波章动实验证明了体系中多样性拉比循环（ Rabi Cycle ）的存在，拉比频率则可由旋转波近似的方法从 22 个跃迁推演计算，并且得到与实验数据一致的结果，进一步验证了 Gd2@C79N 的 22 个跃迁非常适合用于量子操作。

1. 痛点问题 量子计算机是基于量子力学原理的通用计算设备，其基础逻辑单元是遵守量子力学原理的量子比特。基于其并行计算的特性，量子计算机在解决某些特定问题时相对于经典计算机具有指数级的加速，在未来的基础科学研究、量子通讯及密码学、人工智能、金融市场模拟、气候变化预测、药物模拟、新材料发现等需要强大算力的领域中具有广泛的应用前景。目前国际上已出现众多的量子计算商业项目，例如美国的IonQ、霍尼韦尔、谷歌、IBM、亚马逊、微软等，以及国内的腾讯、阿里巴巴、百度、华为、字节跳动等公司。 目前有若干种物理平台有望实现大规模量子计算，其中离子阱量子计算平台在衡量量子计算性能的各项指标方面表现优异，是最有可能实现量子计算机的平台之一。应用于离子阱量子计算机的量子计算寻址装置是离子阱量子计算机必不可少的部件。量子计算寻址装置的功能是利用操控激光对任意空间位置、任意数量的量子比特的状态进行实时操控。 2. 解决方案 本成果的量子计算寻址装置提出了一种全新的结构来实现量子比特的寻址，该系统采用两个寻址单元协同操作以实现一维量子比特寻址操控。而利用多个寻址单元及相应的控制手段可实现二维与三维量子比特寻址操控。本发明增加了寻址操控系统的信道容量，可实现离子型量子计算机内任意量子比特进行寻址操控并消除了寻址操控系统引入的误差；可实现对量子计算机上任意量子比特进行任意比特量子逻辑门操作；可根据离子量子比特在空间分布及量子态来优化寻址系统并动态反馈，可灵活实现复杂的量子算法及量子纠错。 合作需求 寻求量子计算方向的企业开展业务合作。

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。 

 网络与信息安全是我国的战略发展重点之一，针对网络与通信系统在数据安全传输方面的紧迫需求，独辟蹊径地利用连续变量量子密码技术，解决了量子密钥分配系统中“输出密钥率低”、“多信号融合性差”、“抗干扰能力弱”、“实际安全性差”等工程应用中的核心技术问题，极大地推动了量子保密通信技术在实际系统中的应用。  量子保密通信有单光子和连续变量量子保密通信两种实现方式，我们集中研究连续变量量子保密通信技术，在理论和实验研究方面取得了重要突破，先后完成了国际上最长安全传输距离(150公里)、国际上最高系统速率(100MHz)和CWDM环境下最高密钥率(1Mbps@25km)的连续变量量子密码通信实验，研制出国际上首套高速连续变量量子密钥分配工程样机(52kbps@50km)和国际首套智能量子黑客安全监控系统原理样机，为华为公司研制出了一套到达商用要求的连续变量量子密钥分配工程样机，并利用上海交通大学校园网完成了国际上首次连续变量量子密码通信外场测试试验。  所取得的研究成果到达国际领先水平，受到了国内外媒体、国家密码管理局、华为公司等相关部门的高度关注，在网络与信息安全领域产生了重要影响。