量子调控与量子信息重点专项2016年项目申报指引

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1、附件2“量子调控与量子信息”重点专项2016年度项目申报指南“量子调控与量子信息”重点专项的总体目标是瞄准我 国未来信息技术和社会发展的重大需求，围绕量子调控与量 子信息领域的重大科学问题和瓶颈技术难题，培养和造就一 批具有国际竞争力和影响力的研究团队，开展基础性、战略 性和前瞻性探索研究和关键技术攻关，产生一批原创性的具 有重要意义和重要国际影响的研究成果，并在若干方面将研 究成果转化为可预期的具有市场价值的产品，为构筑具有我 国自主知识产权的量子调控与量子信息技术的科学基础，以 及推动我国量子信息技术的实用化做出重要贡献，为我国在 未来的国际战略竞争中抢占核心技术的制高点打下坚实基 础。本

2、专项将对我国有优势和引领作用的研究方向如新型 超导、拓扑态、量子通信等强化支持力度，对我国比较薄弱 但亟待加强的重要研究方向进行特殊支持。积极鼓励和倡导 原始创新，力争在国际上形成以我国为主导的研究新方向。 除开展基础研究外，还要积极推动应用研究，在新原理原型 器件等方面取得突破，向功能化集成和实用化方向推进。量 子调控前沿基础研究的目标是认识和了解量子世界的基本 现象和规律，通过开发新材料、构筑新结构、发现新物态以 及施加外场等手段对量子过程进行调控和开发，在关联电子 体系、小量子体系、人工带隙体系等重要研究方向上建立突 破经典调控极限的全新量子调控技术。量子信息基础研究和 应用研究的目标是

3、在量子通信的核心技术、材料、器件、工 艺等方面突破一系列关键瓶颈，初步具备构建空地一体广域 量子通信网络的能力，实现量子相干和量子纠缠的长时间保 持和高精度操纵，实现可扩展的量子信息处理，并应用于大 尺度的量子计算和量子模拟以及量子精密测量。“量子调控与量子信息”重点专项将部署6个方面的研 究任务：1.关联电子体系；2.小量子体系；3.人工带隙体系；4. 量子通信；5.量子计算与模拟；6.量子精密测量。根据专项实施方案和“十二五”期间有关部署，2016年 优先支持15个研究方向。申报单位针对重要支持方向，面 向解决重大科学问题和突破关键技术进行一体化设计，组织 申报项目。鼓励围绕一个重大科学问

4、题或重要应用目标，从 基础研究到应用研究全链条组织项目。鼓励依托国家实验 室、国家重点实验室等重要科研基地组织项目。项目执行期一般为5年。为保证研究队伍有效合作、提 高效率，项目下设课题数原则上不超过4个，每个项目所含 单位数控制在4个以内。所有重要支持方向均受理青年科学 家项目申请。1. 关联电子体系1.1多种量子有序态的竞争与调控研究内容：关联电子体系中多种量子序的竞争和量子序 在外场下的调控及物理机制。考核指标：发现过渡族和稀土化合物等窄能带功能材料 新体系；揭示关联电子体系中电荷、自旋、轨道等宏观量子 序的共存和竞争的微观机理，以及导致的新奇量子效应；确 定其物理相图，建立对这些量子序

5、及新奇量子效应的多场调 控技术；发现具有新奇量子效应的新材料，构筑基于量子有 序态调控的原型器件。1.2新型高温超导和非常规超导材料研究内容：新型高温超导和非常规超导材料的制备、新 奇物性及超导机理。考核指标：构筑新型高温超导和界面超导材料，获得超 导转变温度高于液氦的超导新材料；揭示高温超导和界面超 导电性的机理；构筑具有新奇物性的非常规超导材料；建立 非常规超导反常物性与超导电性的调控技术。1.3自旋阻挫和自旋液体研究内容：量子自旋阻挫体系和自旋液体的物理性质。考核指标：揭示自旋阻挫和自旋液体量子材料体系中的 新奇现象；发现新的自旋阻挫和量子自旋液体材料，推动基 于新现象的新应用；建立对新

6、奇物性调控的新技术。2. 小量子体系2.1拓扑量子材料、物性与器件研究内容：设计、预言和合成新型拓扑量子材料，研究 其新奇量子物态和拓扑量子相变，探索新型拓扑电子学原型 器件。考核指标：发现几种面向应用、性能更优的新型拓扑量 子材料；制备出几类具有潜在应用价值的新型拓扑电子学原 型器件；利用极低温、强磁场、高压等综合极端条件以及微 纳器件加工技术实现对拓扑量子物态的多参量调控，揭示拓 扑量子物态及其相变的一般规律。通过理论预测、材料生长、 器件探索方面的全链条设计，实现国际引领。2.2新型磁性材料、磁结构和自旋电子学研究内容：新型磁性材料、磁结构和自旋极化、自旋流 的检测和调控。考核指标：发现

7、若干新型磁性材料和磁结构；建立新表 征技术；阐明单原子、单分子自旋效应，构筑高密度、低能 耗磁存储器件；建立与半导体技术兼容的自旋极化电流和自 旋流的产生、输运、检测及调控新技术；构筑自旋电子学器 件。2.3受限和外场下小量子体系研究内容：受限体系特别是单原子/单分子、单电子、单 光子、单自旋和单激发态等单量子态的检测和操控，轻元素 原子核量子态的检测与操控，小量子体系对局域场等外场的 响应及量子态调控。考核指标：构筑新型小量子体系，建立单量子态的高灵 敏检测技术；建立单量子态包括轻元素原子核的高效调控技 术；建立局域场和小量子体系作用的理论和计算新方法；发 展局域场谱学新技术，提出新概念，揭

8、示新现象；构筑新原 理原型器件，发展新型单光子光源。3. 人工带隙体系3.1新型人工带隙材料和器件研究内容：基于光子能带与带隙调控的新材料和新器 件。考核指标：揭示人工带隙材料光子能带和带隙的调控机 理，发现所独有的新现象和效应；发展新型设计方法，建立 制备和表征关键技术；制备具有特殊传播特性的新材料，实 现具有发射特性高效可调的新器件。3.2微腔与量子态的耦合研究内容：微腔与各种量子态的耦合及导致的新效应。考核指标：建立高品质因子微腔的制备方法以及与量子 态的可控耦合技术；阐明微腔与各种量子态相互作用的调控 机理、方法和技术，揭示强耦合导致的新颖效应和腔量子电 动学效应；建立微腔与各种量子态

9、的高效耦合和调控新技 术，制备新原理器件。4. 量子通信4.1可集成化的广域量子通信网络技术研究内容：支持城域量子通信组网的测量器件无关量子 密钥分发关键技术，满足远距离量子中继需求的冷原子量子 存储技术，基于卫星平台的自由空间量子通信技术，满足广 域量子通信网络需求的具有自主知识产权的核心量子通信 器件。考核指标：发展GHz光注入激光器等关键技术，结合经 典全光通信网络，获得基于测量器件无关量子密钥分发的最 优拓扑城域组网方式，并进行实验演示；发展可以确定性地 产生纠缠、具备通讯波段接口的冷原子量子存储技术，性能 指标满足超越光纤直接传输安全距离极限的远距离（500 公里）量子中继需求；发展

10、基于太阳暗线量子光源、强背景 声隔离和抑制等关键技术，在星间量子通信和全天时卫星量 子通信技术上取得突破，初步形成构建空地一体广域量子通 信网络体系的能力；自主研发广域量子通信网络所需的核心 器件，包括重复频率超过GHz的基于InGaAsP/InP雪崩二极 管（探测效率超过20%,暗计数低于2Kcps）、参量上转换（探 测效率超过50%,暗计数低于IKcps）、超导（探测效率超过 90%,暗计数低于IKcps）的单光子探测器等。5. 量子计算与模拟5.1基于超冷原子气体的量子模拟研究内容：超冷玻色、费米量子气体在人造规范势与光 晶格中的拓扑和多体量子效应。考核指标：在超冷玻色、费米量子气体中设

11、计新的拓扑 系统，探测其独特的量子性质，动态操控拓扑量子态；产生 并探测量子多体纠缠。为各类量子霍尔态和Majorana费米子 等新奇量子态在拓扑量子信息与量子计算方面的应用奠定基础。5.2半导体量子芯片研究内容：半导体量子芯片研发的物理、材料和信息学 基础。考核指标：探究和优化拥有长量子相干特性的半导体量 子比特材料体系（如空穴载流子材料、无核自旋材料等）、 编码方式（如新型准平行能级、电荷比特、自旋比特等）和 调控机理；构造可集成的基本量子逻辑单元库；构建多量子 比特扩展的基本架构，探索与半导体系统兼容的飞行量子比 特，实现半导体量子比特长程耦合，获得量子数据总线模型， 为大规模集成化半导

12、体量子芯片的研发奠定基础。5.3超导量子芯片与量子混合系统研究内容：20个以上超导量子比特的量子芯片制备，多 比特高精度相干操纵及可扩展的量子模拟和量子计算。考核指标：自主设计、制备并测试包含20个以上的超 导量子比特的芯片；获得超过20微秒以上的退相干时间和 99.9%以上的逻辑门操作保真度；实现超导量子比特与长寿 命量子存储体系的量子接口和多种物理体系的混合系统，通 过光学、微波等手段实现全方位调控；通过多个超导比特的 纠缠操纵进行高复杂度的量子模拟实验；通过超越量子容错 阈值的量子逻辑门和量子纠错实现可容错的量子计算。5.4离子阱量子计算研究内容：基于囚禁离子的量子计算技术。考核指标：在

13、离子实验系统中相干控制1520个量子 比特，实现多比特量子纠缠和量子算法演示；将单比特量子 逻辑门保真度提高到99.99%以上，双比特量子逻辑门保真度 提高到99%，超越容错量子计算的阈值要求；将单离子量子 比特的相干时间提高到1000秒；发展刀片离子阱以及新型 更容易扩展集成的离子阱的制备技术与加工工艺，实现不同 种离子的混合囚禁系统，以延长相干时间和量子逻辑门保真 度。6. 量子精密测量6.1基于原子与光子相干性的量子精密测量研究内容：光子一原子耦合新机理，光子一原子关联量 子干涉技术。考核指标：实现新型光子与原子量子态源，获得突破传 统测量技术极限的新型量子精密测量技术，实现新型原子干 涉仪、光子一原子混合量子干涉仪、冷原子干涉仪，实现转 动和重力的高精度测量。6.2超越标准量子极限的量子关联精密测量研究内容：基于囚禁原子与离子的超越标准量子极限的 新型原子频标，单量子与多量子关联高灵敏测量与应用。考核指标:实现频率稳定度随时间演化优于1/t1/2的原子 频标；发展新型原子频标比对方法，传输精度超越标准量子 极限；实现原子阱单原子灵敏检测及在痕量放射性惰性气体 同位素标定中的应用；利用原子、离子、光子等可控多量子 体系的关联态突破标准量子测量极限。