光量子计算研究方向

　　本研究方向在非线性光学、半导体量子点等多种途径开展探索和深入研究，发展高品质的单光子源和纠缠光源，在近期实现具有实际应用价值的50-100个量子比特的相干操纵和量子纠缠。通过玻色取样这个任务演示超越最快的超级计算机的计算能力，实现“量子优越性”，并在此平台探索各自实际应用。同时，利用高品质的量子光源实现超越经典极限的量子精密测量技术和可扩展的量子信息网络。

　　代表性成果包括：1. 首创量子点脉冲共振激发技术，在国际上首次解决单光子源的品质和效率问题，制备了国际最高效率和最高品质的单光子源。2. 多次刷新了并至今保持着国际记录，利用多光子操纵系统性地实验验证了量子计算的指数加速算法。3. 实现单光子多自由度和高维度的量子隐形传态。4. 实现了超越经典计算机能力的波色取样。

超冷原子量子模拟研究方向

　　在达到通用量子计算所需的量子比特数目、量子容错界限等方面的技术要求之前，通过规模化多粒子纠缠的制备和操纵，可以率先研制出针对一些特定重大问题的专用量子计算机即量子模拟机，超冷原子具有相互作用可精确控制的优势，是实现量子模拟和量子计算的理想系统，成为研究诸如凝聚态物理，核物理和天体物理等少体和多体量子现象的理想平台。我们将针对经典计算机无法胜任的、物理机制尚不清楚的若干重要物理问题开发专用量子计算机，通过集成和发展目前超冷原子实验研究中最先进的实验技术，包括：光晶格调控、Feshbach共振、高分辨量子显微镜技术、空间光调制技术、长退相干时间、低散射率、均匀势阱、超低熵系统、等效磁场模拟、自旋轨道耦合、超稳磁场控制技术、受激拉曼绝热通道等，建设极致条件的超冷费米/玻色原子、极性原子/分子系统。在实验上调控恰当尺寸的超冷原子体系，优化体系的退相干时间，开展在基础物理或其他领域有应用价值的超越经典计算极限的量子模拟和量子计算研究，如高温超导、量子化学、纠缠动力学、非平衡态物理等，完善对量子物态的认知，为新型量子材料的设计提供依据。

超导量子计算研究方向

　　超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森结。超导量子电路在设计，制备和测量等方面与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能级与耦合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。由于近年来的迅速发展，超导量子计算成为目前最有希望实现通用量子计算的候选方案之一。我们通过对包括超导量子处理器、极低温极低噪声测量控制平台以及量子计算电子学软硬件的全方位布局，先期已经成功实现了12比特纠缠，以及对超过20比特的高精度相干操控，在量子算法演示、高保真门实现、量子模拟以及量子机器学习等方向进行了积极的探索。目前正在研制60比特超导量子计算系统，力争近期在量子随机线路采样问题上展示“量子优越性”。下一步，将在保证每一个量子比特高精度相干操控的基础上进一步扩展量子比特数目，力争在有实用价值的问题上展现量子计算压倒性的处理器能力，并研究实现可扩展的量子纠错方案，为通用容错量子计算打下基础。

离子阱量子计算研究方向

　　以超高真空环境下束缚带电的原子和分子为研究对象，通过激光和微波等方式操控离子的内部和外部状态，进而作为量子信息的载体，进行量子算法、量子模拟和量子信息基本问题等方向研究。

　　主要研究内容包括：

　　1）量子调控方法：研究离子体系的单比特和多比特量子操控，提高操控精度和调控速率，开发新型的调控手段；

　　2）可扩展系统和技术开发：解决面向开发离子阱体系向规模化扩展的重点技术问题，研究集成低温光学恒温系统、可扩展的离子阱芯片、微纳光学电学系统、高精度规模化电子学操控器件等，以及开发高效离子填装、荧光收集读出、离子输运、离子链中冷却、整形和调制等技术；

　　3）量子算法和应用：针对离子阱体系特有的耦合结构，开发适用的量子算法，探索应用场景以及进行实验演示；

　　4）量子精密测量：依托高精度的调控，使用离子阱平台开展对光频率标准、基本物理常数测定、微弱相互作用模型定界等方面的研究；

　　5）量子计算机工程：整合较成熟的技术，开发集成度高、稳定性好的量子计算整机，以及与云端技术、分布式计算等技术结合和对接。

硅基量子点量子计算研究方向

　　半导体栅控量子点是一种三维空间受限的微纳器件。通过给制备在半导体异质结表面的电极施加合适电压，可以将电子束缚在“准零维”势阱内，从而形成可控性良好的“人造原子”。其具有可扩展、可集成、与现代半导体工艺兼容、易于集成经典测控电路、有望突破极低温工作环境限制等众多优良特性，被认为是最有可能实现通用量子计算的体系之一。

　　天然硅材料中核自旋较少，利用硅基量子点中的电子自旋状态编码的量子比特具有较长的相干时间，特别是还可以利用同位素纯化技术去除材料中带核自旋的29Si成分，进一步提升量子比特相干特性。近几年，国际上硅基量子计算发展迅速，单量子比特和两量子比特逻辑门操控保真度均已达到容错量子计算阈值。

　　硅基量子点量子计算研究将以实用化量子计算为目标，系统研究与现代半导体工艺兼容的硅基半导体材料结构及生长、硅基量子芯片制备及编码、高保真度量子比特操控及测量、多量子比特相干耦合及扩展、量子芯片与经典测控电路集成等。

图：硅基量子芯片多层栅结构示意图

金刚石色心量子计算研究方向

　　以金刚石中发光点缺陷为研究对象，以其自旋作为量子比特，发展基于微波、光学等手段在内的自旋调控技术，开展其在量子计算网络、量子模拟等方面的研究。

　　主要研究内容包含：

　　1）金刚石量子芯片研制：系统开发金刚石生长、色心制备、金刚石加工与集成的完整工艺，研制高品质、可规模化的金刚石量子芯片；

　　2）量子调控技术：发展高精度自旋量子比特操控技术，实现通用量子逻辑门保真度超过容错量子计算的阈值要求；发展基于光、电等方法的自旋读出手段，实现保真度超过容错阈值的自旋量子态读出技术；

　　3）复合量子体系研究：开展以自旋为核心的复合量子体系调控研究，探索与开发复合量子体系在量子计算与模拟上的优越性；

　　4) 量子算法与模拟研究：在自旋体系上开展量子纠错、量子人工智能等算法的研究；实现对拓扑材料、复杂分子、长程相互作用自旋体系等的量子模拟，完成对拓扑不变量、拓扑量子相变及拓扑激发等重要物理量和物理性质的测量与观测。

计算和理论研究方向

　　围绕量子关联体系和超冷原子量子模拟的典型体系，如高温超导、强关联费米气体及人工规范场等，探索相关内在机制，建立理论描述，发展半定量和定量的数值计算方法。主要研究内容包括：

　　1）量子多体理论：超导、超流等；

　　2）量子关联体系的数值计算方法：量子蒙特卡洛方法，矩阵乘积态算法等；

　　3）量子模拟理论：超冷费米原子气体、光晶格中的量子多体效应、人工规范场、冷原子体系的动力学；

　　4）量子信息理论：量子关联，量子非定域性的探测方法及其应用；量子通信，量子网络的新颖方案等；

　　5）超冷原子气体和光晶格中的超流、配对等强关联物理

　　开展Fermi Hubbard 模型、费米原子的配对及超流现象、粒子数失配体系、偶极作用下的冷原子气体、低维系统、复杂晶格系统研究。

　　6）超冷原子气体中的非平衡态动力学及拓扑物态

　　拓扑物态、拓扑超流、开放系统和非厄密体系、量子淬火和Floquet动力学问题，量子热化，多体局域化。

　　7）超冷原子气体中的少体物理研究：包括Efimov物理，超冷化学反应等。

　　8）高温超导理论

　　高温超导的赝能隙现象和理论及相关的输运性质；

　　魔角扭转双层石墨烯等新型超导体及强关联体系的物性和理论研究。