下一代信息技术的量子器件

下一代信息技术的量子器件科学意义和国家需求牛顿力学－导致第一次工业革命量子力学－把人类社会引入信息时代

（从晶体管、磁存储、激光到计算机、互联网）信息爆炸－带来新问题新技术 新挑战 新机遇AveragePetabyteGrowthYearonYearFrom1995to2005was>85%,SeagateAnalyst&InvestorMeetingJune2006总存储量增长幅度存储密度年增长率40%存储密度年增长率70%新问题：

五年内世界总信息存储需求量骤增20倍新问题：

国防、金融等领域的通信安全问题城域尺度量子通信网络系统构建及工程化演示、城际可信中继基于卫星平台的量子实验关键技术量子通信核心技术攻关及核心器件量子通信的技术标准化研究和制定量子中继器技术微电子技术集成度限制运算速度现代信息技术光子技术衍射斑限制通讯容量经典信息串行运算、安全性低新技术纳米电子学/分子突破集成度极限纳米光子学突破衍射极限量子信息学并行运算、安全性高

超高密度存储光激元处理器量子计算和保密通信下一代量子信息技术新挑战：进一步提高信息处理能力

更高的存储密度、更快的处理速度、更高效的、更安全的信息传递

需要从基础研究出发，在量子力学极限下探索、发展

下一代的信息存储、处理、传输与转换的磁电光器件信息处理量子比特新型纳米器件信息传输与转换单光子、单电子水平的信息能量传输与转换磁电光解决下一代信息技术中的关键科学问题:信息存储超高密度突破二进制量子信息存储面向5年、10年、乃至更长时间以后.2009年诺贝尔物理奖获得者高锟—提出光纤维通信光信号代替电信号带来通信革命40年前当高锟提出由光信号来代替电信号传输信息的时候，限于当时对科学技术认识的限制，人们很难相信其可能性。但是，光信号有着电信号无法比拟的优势，如高带宽、高密度、高速度和低耗散等。如今，光纤通信已经成为现在信息社会的基础。下一代磁电光器件功能举例:

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纳米尺度的光电信息传输与转换目前技术：但是,光信号与电信号的耦合由于受到衍射极限的限制而无法提高集成度和转换效率光纤互联网下一代技术：基于表面等离子激元，突破衍射极限，在纳米尺度上实现单光子向电子的信息传递光电集成芯片光电集成的集成电路将极大的提高现有芯片的处理速度，同时避免了现有硅基半导体工业彻底换代带来的巨额成本。下一代磁电光器件功能举例:

—全光信息处理器光电集成系统示意图全光处理器下一代量子通信器件举例:

—广域量子通信

城域量子网络、城际可信中继基于卫星的远距离量子通信量子中继器技术可以构筑未来的广域量子通信日本NEC首先从实验上实现了超导量子比特。日本东京大学实现了固态双量子点量子比特的操控。西门子公司进行了8个节点的量子通信技术演示国外发展动态－欧洲、日本（举例）从2009年开始，欧盟8个国家12个实验室在FP7框架下联合开展极低温下的量子现象与器件研究。

日本总务省量子信息和通信研究促进会提出了以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略，目前年经费投入约2亿美元。idQuantiqueMagiQTechnologiesSmartQuantumQuintessenceLabs瑞士美国法国澳大利亚量子通信产品国外量子通信产品：国内发展现状

科学院多个知识创新重大项目科技部“量子调控”重大研究计划参加的单位、投入的资源以及取得的成果都呈逐年持续上升的态势

其中，郭光灿研究组和潘建伟研究组在国际上首次实现了量子通信网络实用原型系统以及量子交换技术中科院量子信息重点实验室在可集成固态量子信息处理器及其基础问题研究领域取得了多个原创新成果。在安徽省和科学院的支持下，潘建伟研究组和郭光灿研究组正在开展合肥和芜湖城区量子通信网络示范工程建设，为合肥和芜湖市区及周边的重要政府部门及金融机构搭建绝对安全的实用化量子通信平台我国政府高度重视量子信息技术的发展思路存储通信处理器…桐城北京星地量子密钥分发130km光纤光量子通信终端光量子程控交换机合肥市光量子通信网络中继城域通信全球通信量子比特纳米光芯片量子磁存储多进制存储器超大容量存储信息技术利用磁、光、电产生自旋极化电子，研究自旋电子的注入、输运、检测及控制。光电流巨磁电阻隧道磁电阻自旋注入和探测自旋相干和退相干光诱导铁磁性自旋发光二极管自旋激光器电流控制的自旋转矩自旋流自旋Hall效应自旋池,自旋晶体管,可编程序的逻辑器件信息存储器件电场电场控制的铁磁性自旋流自旋场效应晶体管、运算器件磁随机存储器磁头、传感器可编程序的逻辑器件自旋电子学存储器件开发集存储、逻辑和显示等功能于一身的自旋电子器件磁场下一代的信息处理器件：

A.基于光激元的光处理器 纳米光学芯片

B.超导量子比特研究单晶势垒隧道结的量子比特，提高退相干时间

C.拓扑量子计算和器件研究任意子干涉器件及其统计特性

D.基于拓扑绝缘体的新型量子器件 研究新型低功耗自旋电子学器件研究内容：电泵浦纳米光源纳米分光器纳米放大器纳米逻辑运算器纳米光子回路设计纳米电光转换纳米光学芯片设计图电泵纳米光源/纳米电光编码器纳米光电解码器纳米全光CPU输入输出表面等离子体与光在纳米尺度的相互作用使得光激元的光处理器成为可能。全光处理器不仅比传统电子处理器在传输速度上快1000倍，而且光信号可以携带强度、偏振、相位和频率等信息，可以突破二进制的限制。因而它具有非常明显的优点。基于光激元的光处理器

超导量子比特具有损耗低、长程相干性好、容易集成化、器件的哈密顿量可由电路参数方便地设计、以及有多种量子比特类型可选择等优点。

目前在超导量子比特中已观测到Rabioscillation、Ramseyinterference、和spin-echo

等重要的量子现象。I.Chiorescu

等人的工作是磁通型超导量子比特中的一个突出例子。拟研究高温超导体等单晶势垒隧道结构成的量子比特，提高量子退相干时间。S.X.Lietal.,PRL99,037002(2007).I.Chiorescuetal.,Science299,1869(2003).基于约瑟夫逊结的超导量子比特基于拓扑绝缘体的新型量子器件2D:3D:二维拓扑绝缘体:量子自旋霍尔效应边缘态:无耗散自旋流 理论预言:2005-2006

实验证实:2007应用:低功耗自旋电子学器件三维拓扑绝缘体:一种新的物质态 内部绝缘,表面导电并受拓扑保护 理论预言:2007

实验证实:2008应用:Majorana费米子:Non-Abelian

拓扑量子计算无耗散自旋输运

新型自旋电子学器件(无需磁场) A.纳米尺度光电转换器件

单光子、单电子水平的信息能量传输与转换单光子源的发射可以激发单个的等离激元，利用等离激元实现对单光子源的高效远程激发。Nature450,402(2007)NanoLetters(2009)B.单光子源与单光子探测器件 利用单分子、单量子点、单色心制备单光子源 量子保密通讯、量子计算等的关键基础通常可用作单光子源的体系包括：单分子、单量子点、单色心等。Nature407,491(2000)J.Phys.Chem.100,468(1996)

石墨烯量子点量子计算

石墨烯量子点相对论电子自旋的量子比特和量子操控半导体量子处理器传统微电子芯片量子计算机克服消相干可扩展、大规模集成小尺寸、量子效应新材料、起点相同没有核自旋、弱自旋轨道耦合石墨烯可扩展量子点量子计算已有基础

传统半导体工艺兼容的石墨烯量子点

已有基础研究内容石墨烯单双量子点的制备全新的石墨烯量子计算模型石墨烯量子点中相对论电子自旋量子比特的操控和测量石墨烯双量子点的耦合与量子计算的运行。石墨烯中相对论电子相干时间的调控。QuantumInformationProcessingCellTraditionalInformationProcessingCellPlasmonicsTraditionalInformationProcessingCellQuantumInformationProcessingCellCoherenttransmissionofquantumsignalTransmissionofclassicalsignalB.表面等离子体量子信息数据总线

高集成或分布式量子处理器中表面等离子体纳米桥路的架构研究内容：表面等离子体传输中量子相干性的保持和调控量子点等通过表面等离子的虚激发实现相互耦合高集成或分布式量子计算中的量子数据总线Plasmonics:Mergingphotonicsandelectronicsatnanoscale

dimensions(EkmelOzbay,Science311189(2006))B.表面等离子体量子信息数据总线

高集成或分布式量子处理器中表面等离子体纳米桥路的架构

C.Si/Ge纳米结构量子信息处理单元利用Si/Ge纳米线束缚空穴载流子的自旋量子比特具有相干时间长（无核自旋的影响）可控性能好等优势。我们与各国际研究小组同处于起步位置，已制备并观察到了Si/Ge纳米线量子点的单电子输运过程。研究Si/Ge纳米结构量子信息处理单元的调控量子模拟是利用一个人工可控的量子系统去模拟一个真实物理体系。使之成为检验强关联多体系统量子特性的实验平台。理论研究的内容在于构筑实现各种有效相互作用的手段。D.固态微腔量子仿真器真实多体物理体系在人工可控体系中的模拟和仿真强关联我国的量子通信路线图…桐城北京星地量子密钥分发130km光纤光量子通信终端光量子程控交换机合肥市光量子通信网络城域量子网络、城际可信中继基于卫星的远距离量子通信量子存储和量子中继器技术具有全部自主知识产权，已基本达到产业化要求，需研发下一代技术及解决部分核心器件的国产化，2-5年内解决通信距离50公里内的相关技术的大规模应用（大城域量子通信），发展高速电子学技术和高性能单光子探测技术，并解决基于可信中继的城际量子通信问题，达到实用化要求。5年内掌握量子中继工作原理，10年内具备掌握操纵多个中继节点的能力5年内解决地面关键技术，并开展初步的星地量子实验实验，10年内星地量子通信技术初步实用主要研究内容1：城域网络量子通信与城际可信中继

已有基础

完全自主知识产权的量子网路路由器合肥3节点链状网络合肥5节点星型网络“城域网络量子通信技术”通过中科院成果鉴定60周年国庆阅兵中的“量子通信热线”光量子通信终端光量子交换机

目标全面奠定城域尺度量子通信及其网络化的技术基础，结合关于量子通信的技术标准研究，对城域量子通信达到产业化的要求，设备达到商业化标准并与现有通信设施具有很好的兼容性；进行城域量子通信网络的示范工程建设，配合有关政府部门加快产业化步伐；同时开展设备的小型化研制；演示基于可信中继技术的城际量子通信主要研究内容2：基于空间平台的量子实验

已有基础

国际首次实现突破大气厚度的自由空间纠缠分发和量子通信在研的中科院重大项目（QUESS）已开展关键技术攻关和地面演示实验；队伍已经组织完备国防相关部门在XXX工程中进行布局，将在XXX飞行器上搭载进行空地量子密钥分配实验在面向全球化的量子通信研究中，在国际上首次开展空间尺度量子实验，取得具有重大科学意义的突破，为未来基于卫星的全球化量子通信奠定技术基础

目标2003600米自由空间量子纠缠分发20056.7公里自由空间量子纠缠分发2007144公里自由空间量子纠缠分发2008完成星地量子信号传输演示实验2013完成空间量子纠缠分发和量子密钥分发实验欧洲团队空间量子实验中外研究进度的比较13公里自由空间量子纠缠分发