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量子通信主要涉及量子密鑰分配( QKD)、量子安全直接通信(QSDC) 、量子秘密共享( QSS) 等3個方面。通信雙方以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學(xué)相關(guān)原理及量子特性，利用量子信道，在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機密信息的通信技術(shù)。量子秘密共享旨在對重要的密鑰進行安全保護，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復(fù)出真實的密鑰。

提出一種如下圖所示能克服光子側(cè)向和背向泄露且能極大提高光子前向出射的新型微納“射燈”結(jié)構(gòu)，其單光子理論收集效率在較大的帶寬中超過90%、最高可達95%。? 該“射燈”結(jié)構(gòu)量子光源的實驗制備難度極大，因為它要求三大核心微納制備技術(shù)：厚度160nm左右且內(nèi)有量子點的薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)；定位精度小于10nm的量子點光學(xué)精確定位技術(shù)；環(huán)形槽寬度制備精度小于5nm的高質(zhì)量牛眼微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。為實驗制備出這一性能優(yōu)越的量子光源，王雪華教授團隊自2013年開始，從零起步，堅持不懈，不斷探索，先后發(fā)展和掌握了上述三大核心微納制備技術(shù)，在國際上率先制備出綜合性能俱佳的“三高”量子糾纏光子對源

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事徐飛虎、張強，與清華大學(xué)馬雄峰、多倫多大學(xué)Hoi-Kwong Lo等，應(yīng)邀在囯際物理學(xué)權(quán)威綜述期刊、美國物理學(xué)會的《現(xiàn)代物理評論》上發(fā)表題為“基于現(xiàn)實器件的安全量子密鑰分發(fā)”的長篇綜述論文。該論文系統(tǒng)闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術(shù)，并指出，經(jīng)過全球?qū)W術(shù)界三十余年的共同努力，現(xiàn)實條件下量子密碼的安全性已經(jīng)建立起來，尤其是測量器件無關(guān)等量子密鑰分發(fā)協(xié)議的提出，徹底關(guān)閉了量子密碼在物理實現(xiàn)過程中可能出現(xiàn)的安全性風(fēng)險，為實

研究了二維二聚化量子自旋系統(tǒng)，通過理論分析和高精度的量子蒙特卡洛方法，發(fā)現(xiàn)在交錯狀二聚化量子海森堡模型中，相變臨界指數(shù)具有新奇的非單調(diào)尺寸標度行為。他們通過在有限尺寸標度理論中引入兩個驅(qū)動場，同時進行大尺寸的計算分析，成功地解釋了非單調(diào)的量子蒙特卡洛結(jié)果，從根源上指出二維二聚化量子自旋系統(tǒng)的相變?nèi)匀粚儆贠（3）普適類，適用于量子-經(jīng)典對應(yīng)理論。他們的研究表明，在量子相變中可能存在多個驅(qū)動場導(dǎo)致的新奇標度行為，需要采用正確的標度理論才會得到正確的結(jié)果。在論文中，他們還創(chuàng)造性地提出多參數(shù)聯(lián)動-高階擬合方法，能極大地提高數(shù)據(jù)準確度，可以用在不同體系的數(shù)據(jù)分析中。

1.設(shè)計獨立的量子芯片操控層與量子芯片讀取層，利用三維芯片結(jié)構(gòu)提升量子芯片的線路密度與集成度； 2.設(shè)計新的量子比特操控信號調(diào)制方法，提高量子邏輯門操作的保真度。 3. 開發(fā)兼容于超導(dǎo)量子芯片的工藝材料與立體封裝工藝技術(shù)。 4.設(shè)計能實現(xiàn)更大增益-帶寬積特征參數(shù)的約瑟夫森量子參數(shù)放大器結(jié)構(gòu)。 5.利用大規(guī)模硬件同步技術(shù)以及基于 PXI 等高速擴展架構(gòu)的集成技術(shù)。 6.在邏輯控制板中原位實現(xiàn)量子芯片讀取信息的處理。 7.利用 FPGA 實現(xiàn)量子算法序列到量子比特操控信號序列的實時生成與組合，使得用戶可以在直接在量子編譯器層面對量子芯片進行編程操作。 

北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)所王劍威研究員與意大利羅馬大學(xué)Fabio Sciarrino教授、英國布里斯托爾大學(xué)Anthony Laing和Mark Thompson教授，受邀在國際著名刊物《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上撰寫綜述文章，介紹“集成光量子技術(shù)”這一新興領(lǐng)域的基本科學(xué)原理和前沿進展。 量子技術(shù)利用量子物理基本原理，通過操控光或物質(zhì)的量子疊加和量子糾纏等內(nèi)稟屬性，其信息處理能力有望從根本上超越經(jīng)典范疇的信息技術(shù)。集成光量子芯片技術(shù)是一門結(jié)合了量子物理、量子信息、集成光子學(xué)和微納制造等學(xué)科的前沿交叉技術(shù)，通過半導(dǎo)體微納加工制造，有望實現(xiàn)高性能且大規(guī)模集成的光量子器件和系統(tǒng)，達到對作為量子信息載體的單光子進行高效處理、計算和傳輸?shù)裙δ堋?國內(nèi)外對集成光量子芯片技術(shù)的研究取得許多重要進展 2008年，國際上首次實現(xiàn)了基于二氧化硅平面光波導(dǎo)體系的量子受控糾纏門和量子干涉，開創(chuàng)了集成光量子芯片領(lǐng)域的先河。在過去十年間，國內(nèi)外對集成光量子芯片技術(shù)的研究,取得了許多重要進展，目前已實現(xiàn)了片上光量子態(tài)的制備、量子操控以及單光子探測等核心功能，并且器件集成度和功能復(fù)雜度也都得到了大幅度提高。綜述總結(jié)了集成光量子芯片的主流材料體系、核心量子光學(xué)元器件，及其量子信息的前沿應(yīng)用，包括量子密鑰分發(fā)和通信、物理和化學(xué)系統(tǒng)的量子模擬、量子玻色取樣、光量子信息處理和計算等。 集成光量子芯片的材料體系目前主要采用硅基絕緣體上、鈮酸鋰、激光直寫二氧化硅、氮化硅、氮化嫁、磷化銦等光波導(dǎo)材料。核心器件主要包括集成單光子源與糾纏光子源、可編程大規(guī)模集成光路、集成單光子探測器等，其中量子光源主要有非線性參量型量子光源和固態(tài)量子點型量子光源，而單光子探測主要通過超導(dǎo)納米線探測和過度邊緣感應(yīng)傳感來實現(xiàn)。這些核心光量子集成器件的性能均取得了很大程度的提升。與此同時，集成光芯片平臺上也已經(jīng)逐漸發(fā)展出一套可以將量子信息精確加載在單光子的路徑、偏振、時間、空間、頻率等不同自由度的方法，為該技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的便利性和多樣化。 集成光電子器件在經(jīng)典通信系統(tǒng)中一直起著舉足輕重的作用，可以預(yù)期其也將在量子密鑰分發(fā)和量子通信中起到重要作用，特別是微小型、低成本、高性能的量子通信收發(fā)芯片的發(fā)展，將有助于進一步降低成本、提高可靠性，推進其實用化進程。目前，量子通信的幾種主要協(xié)議，包括制備-測量類的通信協(xié)議以及基于糾纏分布和量子隱形傳態(tài)類的協(xié)議等，已先后在硅基、磷化銦、氮化硅等光子芯片上得到實驗驗證。另外，全集成型量子真隨機數(shù)發(fā)生器也有很多實驗實現(xiàn)，并有望在不遠的將來提供微小型、高速和低成本的真隨機數(shù)發(fā)生器。 量子線路模型和基于測量的單向量子計算模型是實現(xiàn)通用量子計算的主流模型。光學(xué)量子計算的線路模型實現(xiàn)方案存在擴展性困難，但基于測量的光量子計算可以大大降低需要的物理資源，并可實現(xiàn)通用量子計算。在可編程的光量子芯片平臺上，目前已成功實驗驗證了Shor因數(shù)分解算法、Grover搜尋算法、優(yōu)化算法等重要算法，并可在單一芯片實現(xiàn)多種復(fù)雜量子信息處理功能。近年來，片上制備并操控復(fù)雜量子態(tài)，包括高維量子態(tài)、多光子糾纏態(tài)、圖糾纏態(tài)等，均已在硅基和二氧化硅等平臺實現(xiàn)。值得一提的是，集成光量子芯片的高可編程性、高穩(wěn)定性、高保真度，為通用量子計算的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。 量子玻色取樣和量子模擬被認為是量子計算的短期實現(xiàn)目標和重要應(yīng)用方向。觸發(fā)型玻色取樣和基于量子點光源的玻色取樣，被認為是實現(xiàn)具備“量子優(yōu)勢”的玻色取樣量子計算的有效技術(shù)方案，有望超越經(jīng)典計算機計算能力，其中前者已實現(xiàn)芯片上量子光源和線性網(wǎng)絡(luò)的全集成，而后者最近在中科大發(fā)布的一個論文預(yù)印本中報道了20光子60模式玻色取樣的重要突破。集成光量子芯片體系已實驗驗證了離散型和連續(xù)型的量子漫步功能，并可用于模擬復(fù)雜的物理和生物過程。同時，集成光量子模擬器也成功驗證了多種典型的量子模擬算法，有望有效地模擬化學(xué)分子動力學(xué)過程。

作為信息化時代各領(lǐng)域發(fā)展的重要基礎(chǔ)與保障，信息安全是一個不容忽視的國家安全戰(zhàn)略。當今信息安全領(lǐng)域廣泛使用的公鑰密碼體制主要都是基于經(jīng)典計算機“難以求解”的數(shù)學(xué)問題所設(shè)計構(gòu)造的。近些年來，隨著量子計算技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)公鑰密碼體制不再安全。一方面，Shor算法、Grover搜索算法、量子傅里葉變換等算法相繼被提出，從理論上證明這些算法在量子計算機上運行可以顯著縮短傳統(tǒng)公鑰密碼體制所依賴數(shù)學(xué)問題的求解時間。另一方面，實際可行的量子計算機技術(shù)不斷發(fā)展，2019年，Google宣布制造出53量子比特的量子處理器“懸鈴木”，在絕對零度條件下可以在200秒完成超級計算機1萬年的計算任務(wù)。在即將到來的“后量子時代”，我們需要更安全的密碼體制來保護隱私，也就是后量子密碼（Post-QuantumCryptography,PQC）。未來10年商用量子計算機將面世，在量子計算機面前，構(gòu)造傳統(tǒng)公鑰密碼體制所基于的數(shù)學(xué)難題將毫無安全性可言，進而依賴密碼體制而構(gòu)建的信息安全系統(tǒng)及各種應(yīng)用將面臨著嚴峻的安全問題，甚至存在被完全破解的潛在威脅，亟待研究抵御量子攻擊的密碼體制及其芯片實現(xiàn)技術(shù)。 2022年美國政府正式簽署安全法案，首次將后量子密碼納入美國國家安全備忘錄，同時還提出《量子計算網(wǎng)絡(luò)安全準備度法案》，旨在指導(dǎo)推動信息安全系統(tǒng)向后量子密碼學(xué)過渡。2022年9月7日，美國國家安全局(NSA)發(fā)布了《商業(yè)國家安全算法套件2.0》，其中將入選第三輪抗量子密碼標準化選擇的CRYSTALS-KYBER(以下簡稱Kyber)算法列為國家安全系統(tǒng)未來過渡遷移的必備算法。我國也在后量子密碼領(lǐng)域積極跟進，參與國際競爭，于2020年發(fā)布國內(nèi)首份量子安全白皮書，廣泛布局后量子密碼安全技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)生態(tài)。目前后量子密碼算法的研究正在逐漸走向成熟與標準化，未來將有數(shù)十億新舊設(shè)備完成從傳統(tǒng)公鑰密碼體制向后量子密碼算法的遷移過程。在充分考慮安全性能、算法性能、便利性和合規(guī)性的前提下，研制出符合國際標準且具有國際競爭力的后量子密碼SoC芯片并應(yīng)用，對于我國加快搶占后量子密碼國際領(lǐng)先地位，保障量子時代下的信息安全具有重要意義。 圖1 后量子密碼在未來信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用 本成果提出一種應(yīng)用在云計算、數(shù)據(jù)中心加密中的高性能隨機數(shù)生成哈希核心算子，實現(xiàn)了具有靈活性和高吞吐量的可配置Keccak核心。該核心可配置為支持多個采樣策略，通過高吞吐量隨機數(shù)擴展發(fā)生器新型結(jié)構(gòu)達到11.7Gbps的吞吐率，性能表現(xiàn)為目前世界最高水平。 圖2 高性能后量子密碼哈希核心算子 在國際上首次提出了具有側(cè)信道SPA攻擊防御機制的可配置BS-CDT高斯采樣器。該設(shè)計基于CDT反演高斯采樣算法，通過真隨機數(shù)發(fā)生器和隨機化功耗特性的電路結(jié)構(gòu)，采取隱藏相關(guān)數(shù)據(jù)的防御機制，高效獲取安全性更好的均勻分布隨機數(shù)，并可以有效抵御時間攻擊和潛在的功耗分析攻擊，顯著提高安全性。電路采樣精度可達112bit，新型多級快速查找表結(jié)構(gòu)極大縮短了概率函數(shù)分布表搜索時間，性能相較于同類設(shè)計提升近18倍。解決了高精度需求與采樣速度不匹配的沖突問題，優(yōu)化了概率函數(shù)分布表的存儲資源，靈活劃分密碼系統(tǒng)中的高斯采樣值，并有效加固了后量子密碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)前級的側(cè)信道安全性。 圖3 多模域計算兼容可重構(gòu)算術(shù)單元 針對后量子密碼計算量大，數(shù)據(jù)復(fù)雜的痛難點，優(yōu)化格數(shù)學(xué)難題中的數(shù)論變換（NTT）算法，實現(xiàn)了一種高性能NTT硬件加速單元。采用雙倍位寬乒乓式對稱存儲結(jié)構(gòu)突破訪存限制，改進模乘運算單元關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，提高多項式運算的效率，相比同類運算操作下最先進的設(shè)計快3.95倍。 圖4 靈活指令集型后量子密碼安全處理器芯片架構(gòu)及版圖 針對后量子密碼算法的多樣化計算需求，創(chuàng)新性地提出了一種多模域計算兼容型可重構(gòu)核心算子，能夠配置為不同模域下的關(guān)鍵運算結(jié)構(gòu)，靈活支持Karatsuba、Toeplitz、NTT等運算結(jié)構(gòu)。在配置為NTT結(jié)構(gòu)的運算下，運算性能與美國MIT研究團隊在IEEEISSCC發(fā)表的相關(guān)成果保持國際同步水平，并具備更強的靈活性與通用性。 圖5 多模域計算兼容型可重構(gòu)核心算子 在團隊積累多年的后量子密碼相關(guān)先進技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，在SMIC40nm工藝下實現(xiàn)了兩款后量子密碼芯片，能夠兼容國際最新標準的CRYSTAL-Kyber后量子密碼算法。后量子密碼Kyber芯片采用了高性能流水線結(jié)構(gòu)的蝶形運算單元及高速NTT運算單元，解決了加解密運算中訪問存儲器所帶來的速度瓶頸問題。靈活指令集型后量子密碼芯片采用可編程自定義指令集架構(gòu)，基于多模域計算兼容的可重構(gòu)算術(shù)單元與可配置多功能哈希/隨機采樣核心算子，在實現(xiàn)高性能的后量子密碼運算的同時提高了芯片的靈活性與適應(yīng)性。 圖6 后量子密碼Kyber處理器芯片架構(gòu)及版圖 圖7 靈活指令集型后量子密碼處理器芯片架構(gòu)及版圖

提出了一種可優(yōu)化的非絕熱和樂量子計算新方案, NHQC+，打破了以往和樂量子計算（基于非對易幾何相位的量子計算）對不同能級的耦合脈沖必須同步、脈沖面積必須固定的嚴格限制,使得幾何量子計算可與優(yōu)化控制理論相結(jié)合，并且大大提高了幾何量子門對系統(tǒng)噪聲魯棒性，為進一步拓展到可結(jié)合脈沖整形技術(shù)的幾何量子計算提供了可能。論文第一作者、2018級哈工大-南科大聯(lián)培博士生劉寶杰稱，新方案NHQC+只需要用一個三能級量子體系就可以實現(xiàn)，相比之前需要應(yīng)用復(fù)雜脈沖序列同

翁文康和他的博士生劉寶杰提出的新方案使用了一個三能級量子體系，其中基態(tài)和第二激發(fā)態(tài)被用作為量子比特的0和1態(tài)，第一激發(fā)態(tài)作為一個輔助能級。通過施加和體系兩個量子躍遷接近共振的微波信號，并控制信號隨時間的變化，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)演化產(chǎn)生的幾何量子相位的精確調(diào)控，進而實現(xiàn)任意指定的幾何量子門。相對其他已有的幾何量子門方案，新方案中量子門速度得到了數(shù)倍的提升，并且對控制信號誤差具有更好的容錯性。此外，這一方案還具有實驗復(fù)雜度相對較低和易于在不同量子體系上實現(xiàn)等優(yōu)勢。陳遠珍和他的博士后嚴通行合作，在超導(dǎo)量子體系中成功實現(xiàn)了這一方案。實驗中獲得的單比特量子門保真度達到了97%，引起誤差的主要原因包括量子比特和環(huán)境相互作用導(dǎo)致的退相干，以及微波控制信號的精度誤差等。 這項工作對于進一步發(fā)展基于幾何相位的量子計算具有啟發(fā)意義，其后續(xù)相關(guān)研究目前也在開展之中，包括基于相同思想的兩比特幾何量子門和更為簡化的幾何量子計算方案等。