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中國科學技術大學潘建偉及其同事徐飛虎、張強，與清華大學馬雄峰、多倫多大學Hoi-Kwong Lo等，應邀在囯際物理學權威綜述期刊、美國物理學會的《現代物理評論》上發表題為“基于現實器件的安全量子密鑰分發”的長篇綜述論文。該論文系統闡述了量子密碼的原理、理論和實驗技術，并指出，經過全球學術界三十余年的共同努力，現實條件下量子密碼的安全性已經建立起來，尤其是測量器件無關等量子密鑰分發協議的提出，徹底關閉了量子密碼在物理實現過程中可能出現的安全性風險，為實

北京大學物理學院的賈爽研究員和中科院強磁場科學中心的張警蕾研究員、南方科技大學的盧海舟教授等組成的研究團隊對外爾半金屬材料TaAs等在強磁場下的磁性質進行了深入研究。利用磁扭矩探測和平行磁化率探測技術，他們發現當外爾電子在強磁場下進入量子極限時，其橫向和縱向磁化率都表現出強烈的不飽和性。這一強磁場下的不飽和磁性與非相對論型的拓撲平庸電子呈現的飽和磁性截然相反，是相對論型的電子所獨具的指針性屬性。 由于各種拓撲電子材料的能帶對于包括自旋軌道耦合以及化學勢在內的各種參數高度敏感，決定電子拓撲性質的能量尺度可能小至毫電子伏特量級，因此通常的譜學測量如角分辨光電子譜等往往無法分辨能帶的細節。而普通的電輸運測量只能表征費米面的貝里曲率，無法區分相對論型的電子能帶是否存在能隙。這項對于拓撲電子材料的磁性研究，結合了理論計算與強磁場下的實驗表征，提出了探測相對論型的電子的一種決定性指針。該工作已在《自然?通訊》上發表 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. 此項工作的通訊作者為賈爽研究員，中科院強磁場科學中心的張警蕾研究員和南方科技大學的盧海舟教授；第一作者為量子材料中心博士生張成龍和南方科技大學的王春明教授。同時，這項研究受到國家自然科學基金（No. U1832214, No.11774007）國家重點研究計劃（2018YFA0305601）以及中科院先導研究計劃（XDB28000000）等的支持。

量子隧穿是微觀世界的基本現象，它是指粒子可以像波一樣地穿過有阻礙的區域（即勢壘），是微觀粒子的波粒二象性的一個具體表現。如今，量子隧穿的概念已經滲透到物理學的方方面面，比如廣泛使用的掃描隧道電子顯微鏡、半導體異質結等。然而，關于量子隧穿卻有一個基本問題充滿著爭議，那就是隧穿的過程是否需要時間？如果需要時間那又該如何測量呢？自量子力學誕生以來，這個問題一直伴隨著量子力學的發展而爭論至今。 隨著超短激光脈沖的問世，人們一直努力、希望在強場隧道電離的范疇來解決這個的重要爭議問題。隨即，學術界提出了可以通過阿秒鐘方案測量隧道電離的發生時間（即時間延遲），阿秒鐘巧妙地將隧穿時間延遲轉化為光電子發射角的偏移，然而對于實驗結果，大家一直未取得一致的看法。學術界通過十多年的研究，基本上形成了兩種對立的觀點，即瞬時隧穿（隧穿幾乎不需要時間）與延時隧穿（隧穿需要百阿秒量級的時間），各自都有相應的理論與實驗支持。似乎這兩種觀點充滿矛盾、不可調和！量子隧穿的示意圖量子隧穿可以看作是微觀粒子的“穿墻術”增強型阿秒鐘的原理。（a）線偏振的二次諧波打破了圓偏振的基頻光的對稱性，標記了最大值激光電場的方向與時刻。（b）不加二次諧波時測量的光電子動量譜。（c）加入標記光場后測量的光電子動量譜。 傳統的阿秒鐘是采用單個橢圓偏振或近圓偏振的激光脈沖，因此傳統阿秒鐘的校準依賴于少周期激光的載波包絡相位和橢偏率的確定，它們的噪聲抖動會給阿秒鐘的測量帶來很大的誤差。日前，北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”劉運全教授和龔旗煌院士領導的研究小組，提出并實現了一種全新改進型阿秒鐘，在一束圓偏振飛秒激光場中加入了另一束線偏振的倍頻光來校準阿秒鐘，使得光電子發射角的偏移量的定標更加精準。這種增強型阿秒鐘使得隧穿時間的測量更加準確可靠。理論上還證明了上述兩種看似對立的隧穿圖像可以被統一在同一個理論框架下進行描述。在強場近似理論框架下，他們分別建立了瞬時隧穿圖像以及基于Wigner表象的延時隧穿圖像，對于增強型阿秒鐘的實驗結果，這兩種隧穿圖像的理論結果都與實驗結果相符合。因此，這是第一次使用同一個理論框架和同一個實驗完美地統一了這個長期的學術爭議，為隧穿時間研究提供一種思路。

在高晶體質量的狄拉克半金屬Cd3As2納米線中觀測到手征反常導致的負磁電阻效應（Nat. Commun. 6, 10137 (2015)）；并借助于納米線比表面積大的優勢，測量到起源于拓撲表面態輸運的π A-B效應(Nat. Commun. 7, 10769 (2016); Phys. Rev. B 95, 235436（2017）)。 最近，他們通過輸運測量首次在狄拉克半金屬Cd3As2納米線中觀測到連續體態和離散表面態耦合產生的Fano共振現象。研究表明直徑約為60 nm的Cd3As2納米線的表面態能帶會發生劈裂，通過柵壓調制費米能級到一個表面態子能帶的帶底時，會呈現出零偏壓微分電導峰；在磁場作用下，由于塞曼效應，零偏壓電導峰會發生劈裂，測量得到表面態的朗德因子為32；Fano共振進一步導致零偏壓微分電導峰隨偏置電壓具有非對稱的線形，并可能對材料中起源于“外爾軌道”的量子振蕩頻率產生修正。這項工作對于深入研究拓撲半金屬的輸運性質，以及設計實現可電學調控的Fano體系有著重要意義。圖1. Cd3As2納米線中量子限制效應引起的電導振蕩；(b)柵壓調制的微分電導譜。

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑戰。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發射能力，在瓦特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石墨烯材料樣品可以在真空條件下實現有效的直接光驅動，此現象為國內外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。

合成氨工業對國民經濟與社會發展具有舉足輕重的作用。目前，每年全球氨產量已超過億噸，其中大部分用于農業生產以解決糧食與溫飽問題，其它部分用作重要的工業原料。此外，氨還具有含氫量高（質量比達17.6%）、易液化等優點，有望成為重要的清潔儲氫與儲能材料，具有廣闊的應用前景。然而，由于氮氣分子非常穩定且難以活化，溫和條件下合成氨反應難以迅速進行。工業上廣泛采用的Haber-Bosch方法通過高溫高壓（300–500攝氏度，100–200個大氣壓）等苛刻條件來促使高純氫氣和氮氣在鐵基催化劑表面進行反應生成氨，其能量和氫氣都來自于化石燃料（如甲烷等），表現出高能耗、高化石燃料消耗和高二氧化碳排放等缺點。合成氨工業消耗全球每年3–5%的甲烷與1–2%的能源供給，并產生1.6%的二氧化碳排放。尋找合適的綠色替代方案，在溫和條件下實現高效、低能耗、低排放合成氨，成為亟待解決的科學挑戰。 電催化氮還原反應（總反應為N2 + 3H2O ? 2NH3 + 1.5O2）提供了一種可持續合成氨的新路徑。該反應在常溫常壓下即可進行，以大量易得的水與氮氣（空氣）作為反應原料，以可持續能源（太陽能，風能等）產生的電能作為能量來源，即可實現“零排放”合成氨。因此，不論是作為傳統Haber-Bosch方法的潛在替代者還是作為新型清潔能源體系的重要組成部分，電化學合成氨技術都具有極大的發展潛力與廣闊的應用前景。 然而，電化學合成氨技術仍面臨重大挑戰，其發展嚴重受制于現有催化劑非常低下的選擇性與活性。若要將該技術實用化，就必須同時大幅提升催化劑的選擇性與活性。然而，現有研究經驗與理論表明，該反應催化劑普遍面臨嚴重的“選擇性-活性”兩難問題：具有理論高活性的催化劑通常會導致激烈的析氫副反應，從而表現出低的反應選擇性；而可能具有高選擇性的催化劑對氮的吸附又過強，導致產物難以脫附，表現出過低的反應活性。因此，為取得電催化合成氨研究進展，大幅提高催化劑的選擇性與活性，就必須突破現有理論，發展新型催化劑與催化體系。

制備在宏觀尺度上具備二維單片石墨烯的獨特本征性質的石墨 烯三維體相材料是材料學研究中兼具學術價值和實用意義的重大挑 戰。本項目制備得到了一種三維石墨烯宏觀體相材料，其由大量獨立 且懸空的二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成。該材料具 有良好的機械性能，在常溫可見光下作用下具有電子發射能力，在瓦 特功率級別的可見波段激光或聚焦的太陽光照射下，厘米尺寸的此石 墨烯材料樣品可以在真空條件下實現有效的直接光驅動，此現象為國 內外所首次觀察及報道，為石墨烯帶來了一種激動人心的潛在應用價 值。上述材料的制備及相關性能研究還可為石墨烯在催化，能源轉換 與存儲等領域的應用提供材料支持與相關理論支撐。 項目特色： 1.制備了基于二維石墨烯單元通過片層邊緣的化學鍵構筑而成 三維石墨烯體相材料，該材料不僅保留了二維石墨烯材料的本征性質， 而且具備優良的機械及光電性能。 2. 在國內外首次觀察到厘米級尺寸的裸眼可見的宏觀石墨烯樣 品，只依靠瓦特級別的光作為單一驅動源，即可實現較大距離(數十厘 米)的有效的運動，并提出了光致電子發射驅動的機理解釋上述三維 石墨烯體相材料獨特的光驅動， 3. 上述材料的制備與性能研究揭示通過有效合理的結構構筑手 段，能夠得到以二維石墨烯作為構成單元，并有效保留其獨特二維性 質和兼具三維宏觀形態的石墨烯體相材料，此項研究為其它二維材料 的開展類似工作并拓展其應用提供了范例和思路。已取得的成果： 項目的標志性研究結果于 2015 年 6 月在線發表于 Nature Photonics，并于 2015 年 7 月正式發表（Nature Photonics, 2015, 9, 471- 476）。雜志同期以“Two-dimensional materials: Lift off for graphene” 發表了專題評論。英國著名科普雜志 New Scientist 以“Spacecraft built from graphene could run on nothing but sunlight”為題報道了此研究， 指出該成果“再為石墨烯這種優良材料增添了一種驚人的性能”。國 內主要媒體包括人民日報、光明日報、新華網以及多家門戶網站等均 對此研究進行了報道，中央電視臺《新聞聯播》欄目于 2015 年 6 月 21 日也對此進行了報道。 市場應用前景： 空間飛行器是人類探索宇宙的重要工具，而動力源問題一直羈絆 著人類無法走得更遠。目前幾乎所有的航空、航天飛行均采用化學驅 動，即通過噴射燃燒的化學物質來獲得驅動力，光直接驅動飛行是科 學界和航空界多年的夢想。

1.設計獨立的量子芯片操控層與量子芯片讀取層，利用三維芯片結構提升量子芯片的線路密度與集成度； 2.設計新的量子比特操控信號調制方法，提高量子邏輯門操作的保真度。 3. 開發兼容于超導量子芯片的工藝材料與立體封裝工藝技術。 4.設計能實現更大增益-帶寬積特征參數的約瑟夫森量子參數放大器結構。 5.利用大規模硬件同步技術以及基于 PXI 等高速擴展架構的集成技術。 6.在邏輯控制板中原位實現量子芯片讀取信息的處理。 7.利用 FPGA 實現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。 

北京大學物理學院現代光學所王劍威研究員與意大利羅馬大學Fabio Sciarrino教授、英國布里斯托爾大學Anthony Laing和Mark Thompson教授，受邀在國際著名刊物《自然-光子學》（Nature Photonics）上撰寫綜述文章，介紹“集成光量子技術”這一新興領域的基本科學原理和前沿進展。 量子技術利用量子物理基本原理，通過操控光或物質的量子疊加和量子糾纏等內稟屬性，其信息處理能力有望從根本上超越經典范疇的信息技術。集成光量子芯片技術是一門結合了量子物理、量子信息、集成光子學和微納制造等學科的前沿交叉技術，通過半導體微納加工制造，有望實現高性能且大規模集成的光量子器件和系統，達到對作為量子信息載體的單光子進行高效處理、計算和傳輸等功能。 國內外對集成光量子芯片技術的研究取得許多重要進展 2008年，國際上首次實現了基于二氧化硅平面光波導體系的量子受控糾纏門和量子干涉，開創了集成光量子芯片領域的先河。在過去十年間，國內外對集成光量子芯片技術的研究,取得了許多重要進展，目前已實現了片上光量子態的制備、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雜度也都得到了大幅度提高。綜述總結了集成光量子芯片的主流材料體系、核心量子光學元器件，及其量子信息的前沿應用，包括量子密鑰分發和通信、物理和化學系統的量子模擬、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量子點型量子光源，而單光子探測主要通過超導納米線探測和過度邊緣感應傳感來實現。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逐漸發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，為該技術的發展提供了廣闊的便利性和多樣化。 集成光電子器件在經典通信系統中一直起著舉足輕重的作用，可以預期其也將在量子密鑰分發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芯片的發展，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議，包括制備-測量類的通信協議以及基于糾纏分布和量子隱形傳態類的協議等，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發生器也有很多實驗實現，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發生器。 量子線路模型和基于測量的單向量子計算模型是實現通用量子計算的主流模型。光學量子計算的線路模型實現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因數分解算法、Grover搜尋算法、優化算法等重要算法，并可在單一芯片實現多種復雜量子信息處理功能。近年來，片上制備并操控復雜量子態，包括高維量子態、多光子糾纏態、圖糾纏態等，均已在硅基和二氧化硅等平臺實現。值得一提的是，集成光量子芯片的高可編程性、高穩定性、高保真度，為通用量子計算的實現提供了基礎。 量子玻色取樣和量子模擬被認為是量子計算的短期實現目標和重要應用方向。觸發型玻色取樣和基于量子點光源的玻色取樣，被認為是實現具備“量子優勢”的玻色取樣量子計算的有效技術方案，有望超越經典計算機計算能力，其中前者已實現芯片上量子光源和線性網絡的全集成，而后者最近在中科大發布的一個論文預印本中報道了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型的量子漫步功能，并可用于模擬復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分子動力學過程。

作為信息化時代各領域發展的重要基礎與保障，信息安全是一個不容忽視的國家安全戰略。當今信息安全領域廣泛使用的公鑰密碼體制主要都是基于經典計算機“難以求解”的數學問題所設計構造的。近些年來，隨著量子計算技術的快速發展，傳統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公鑰密碼體制所依賴數學問題的求解時間。另一方面，實際可行的量子計算機技術不斷發展，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。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，構造傳統公鑰密碼體制所基于的數學難題將毫無安全性可言，進而依賴密碼體制而構建的信息安全系統及各種應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技術。 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《量子計算網絡安全準備度法案》，旨在指導推動信息安全系統向后量子密碼學過渡。2022年9月7日，美國國家安全局(NSA)發布了《商業國家安全算法套件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未來過渡遷移的必備算法。我國也在后量子密碼領域積極跟進，參與國際競爭，于2020年發布國內首份量子安全白皮書，廣泛布局后量子密碼安全技術應用與產業生態。目前后量子密碼算法的研究正在逐漸走向成熟與標準化，未來將有數十億新舊設備完成從傳統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芯片并應用，對于我國加快搶占后量子密碼國際領先地位，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域的應用 本成果提出一種應用在云計算、數據中心加密中的高性能隨機數生成哈希核心算子，實現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擴展發生器新型結構達到11.7Gbps的吞吐率，性能表現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信道SPA攻擊防御機制的可配置BS-CDT高斯采樣器。該設計基于CDT反演高斯采樣算法，通過真隨機數發生器和隨機化功耗特性的電路結構，采取隱藏相關數據的防御機制，高效獲取安全性更好的均勻分布隨機數，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構極大縮短了概率函數分布表搜索時間，性能相較于同類設計提升近18倍。解決了高精度需求與采樣速度不匹配的沖突問題，優化了概率函數分布表的存儲資源，靈活劃分密碼系統中的高斯采樣值，并有效加固了后量子密碼系統數據前級的側信道安全性。 圖3 多模域計算兼容可重構算術單元 針對后量子密碼計算量大，數據復雜的痛難點，優化格數學難題中的數論變換（NTT）算法，實現了一種高性能NTT硬件加速單元。采用雙倍位寬乒乓式對稱存儲結構突破訪存限制，改進模乘運算單元關鍵結構，提高多項式運算的效率，相比同類運算操作下最先進的設計快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及版圖 針對后量子密碼算法的多樣化計算需求，創新性地提出了一種多模域計算兼容型可重構核心算子，能夠配置為不同模域下的關鍵運算結構，靈活支持Karatsuba、Toeplitz、NTT等運算結構。在配置為NTT結構的運算下，運算性能與美國MIT研究團隊在IEEEISSCC發表的相關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核心算子 在團隊積累多年的后量子密碼相關先進技術研究的基礎上，在SMIC40nm工藝下實現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構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，基于多模域計算兼容的可重構算術單元與可配置多功能哈希/隨機采樣核心算子，在實現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性。 圖6 后量子密碼Kyber處理器芯片架構及版圖 圖7 靈活指令集型后量子密碼處理器芯片架構及版圖