研究方向

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微纳电子器件与量子计算机研究院研究方向

  

(一)量子材料与器件中心

1. 新型二维半导体材料与器件

       基于二维电子材料优异的性质,即有随层数可调的直接能隙以及很高的迁移率,建立新型二维半导体材料与器件研发平台,面向未来智能城市、环境监控、光学、能源、生命科学与技术等重要领域,开展高频二维光电器件、红外探测等光电信息前沿基础研究和战略性高技术研究。重点研究材料包括黑磷这类直接带隙半导体材料,其能隙涵盖了从远红外到红光光谱区间,开展具有意义重大的红外探测技术及通信技术。

2. 人工带隙材料与器件

       基于人工带隙材料对发射的调控作用,研发新型的人工带隙材料天线及具有宽带、大扫描角度的人工带隙材料天线阵列及天线罩,应用于国防安全。

3. 新型光电器件(红外探测器、单光子探测器件)

       研发高性能的红外、太赫兹探测器及器件,以及基于雪崩光电二极管的单光子探测器,应用于量子光学、量子信息学、超灵敏激光雷达系统、超灵敏光谱、空天技术、生物和医学光子学等领域。

4. 自旋电子器件

       研发国际领先的多功能电子自旋器件,应用于高敏磁传感、高密度/高速度磁存储、自旋逻辑器件、磁电耦合、高频自旋微波器件等相关领域。

5. 超导、拓扑量子材料与器件

       研发基于约瑟夫森结的超导量子器件,进行高灵敏度、超高速度的电与磁测量,以及高带宽的逻辑运算。利用极低温热导率、比热、中子散射、谬子自旋弛豫等手段,寻找具有拓扑长程纠缠的自旋液体态及其分数化激发,为拓扑量子计算奠定材料基础。


(二)量子计算算法软件设计与应用

1. 量子人工智能与数字化量子模拟

       目前由于实验可调控自由度的限制,量子多体物理模拟的研究中未采用数字化的方式。这种非数字化的量子模拟有非普适性、难标准化等诸多困难。该项目将基于量子计算机发展数字化的量子模拟,以期一劳永逸的解决这些困难。实现通过人工智能深层强化学习的方法设计量子绝热算法的工程方案,在量子算法理论的层面产生突破。量子绝热算法设计与数字化量子模拟在科学和量子技术应用上是相辅相成的,两方面的研究将同步开展。

2. 量子退火、自旋玻璃等统计问题

       在科学、大数据、社会学、金融等众多领域,统计问题都扮演重要角色。其中一个困难是亚稳态的研究,在物理学中被称为自旋玻璃问题。基于经典计算的方法着重于模拟退火使系统连续降温至基态,而这种方法易局域在中间态。该项目将基于量子计算解决相关的统计问题。通过引入量子跃迁实现有效的量子退火算法,并提高量子跃迁效率、衡量相关量子计算复杂度、密切结合具体实验系统。从统计科学的角度推动量子计算在社会学、金融等领域的可能产业应用。

3. 基于手性马约拉纳费米子的新型拓扑量子计算研究

       近期美国和中国的科学家在量子反常霍尔材料与传统BCS超导的复合结构中观察到了被称之为“天使粒子”的马约拉纳一维手征边缘态,验证了复旦大学王靖教授在2015年的理论预言,实验平台具备超越已有拓扑量子计算平台的潜力。该项目拟解决其中的核心理论问题,包括实现从手征边缘态到量子比特的编码,以及编码在材料体系中的实现,并寻找适用于理论方案的最佳量子材料。

4. 模拟拓扑量子计算

       旨在模拟任意子系统来近似实现拓扑量子计算。研究发现拓扑量子计算也不是对错误百分之百的鲁棒(据理论估算可以达到6至7个9的容错率,普通量子计算只有3个9),那么,如果一个量子系统能够非常近似地模拟一个任意子系统,它依然可以实现远高于普通量子计算的容错率。该项目将完成通过时间细分的方法在普通量子系统中模拟实现普适的任意子激发和编织操作,结合NMR、超导量子比特、冷原子等体系,运用模拟拓扑量子计算的理论实现容错率远大于普通量子计算的全新方案

5. 新型量子纠错码

       基于AdS/CFT对应发展新型量子纠错码是目前量子计算领域的一个新的国际前沿。近来美国加州理工的 John Preskil 教授与斯坦福的祁晓亮教授等人发现了张量网络这一数值方法、量子计算纠错码、和 AdS/CFT对应理论之间的联系,受到了广泛关注。相关方面的研究正启发从引力模型构建与新型量子纠错码的研究。一方面按照引力模型的规范不变性和因果结构,通过AdS/CFT对应研发出鲁棒性更高的纠错码;同时对这一类纠错码的分析可以解开诸如黑洞内部结构与霍金辐射与量子幺正性等基础物理问题。


(三)微电子新器件及核心技术

1. 半浮栅晶体管(SFGT)

       开展具有自主知识产权的SFG存储器件结构设计,完成配套的特殊工艺研发,实现测试芯片的设计与制造。通过深入研究SFGT器件结构与理论、集成工艺、芯片设计方法,最终实现使用这种新型器件的大容量存储芯片,在SFGT的应用芯片上取得突破。同时进行新材料体系下的SFGT器件开发。开发应用半浮栅晶体管的核心芯片,在高性能存储器、高速缓存以及图像传感器等领域实现具有自主知识产权的高性能芯片。

2. 5纳米阵列硅基纳米线器件的新原理和新工艺

      开展5nm节点上的关键共性技术研究,探索创新突破点并在关键共性技术上获得自主知识产权,为产业升级提供技术储备。1)研究5nm器件结构的微缩路径与结构变化,探索新结构垂直纳米线阵列与水平纳米线阵列的器件结构与实现方法;2)研究5nm纳米线阵列器件的高k栅介质/金属栅工程、源漏工程的创新技术;3)研究新型low-k或气隙/Cu多层布线技术;4)研究5nm器件模型、模拟与设计方法。5)开展工艺集成研究,满足5nm器件的基本要求。


(四)二维集成电路关键器件及核心逻辑电路研究

       二维集成电路关键器件与核心逻辑电路研究主要完成在高质量、高均匀性的大面积二维薄膜上制造完全集成的多级电路逻辑模块,并能展现出复杂的数字逻辑和高频交流应用的能力。具体的研究目标有:1)实现利用原子层淀积制备大面积二维材料薄膜,以及器件性能的提升;2)以单个元器件为基础,在同一薄膜上实现基于二维材料的反相器、NAND、SRAM、环形振荡器等电路系统;3)通过对器件与电路设计的进一步优化,实现互补性逻辑电路并降低功耗。


(五)微纳混合集成技术

       随着集成电路技术进入纳米尺度,工艺难度与成本激增,硅集成电路的可持续发展正遭遇前所未有的挑战。为实现信息技术的快速发展以满足人类对“智能制造、智能生活”的追求,人类开始探索多功能集成的混合集成技术(Hybrid Integrating Technology,简称HIT)。混合集成技术是在成熟的硅集成电路技术中融入非硅材料和新方法,形成具有感知、通信、处理等功能的混合系统,能够实现电、光、声、机械、生物等信号的相互转换和处理的一种新的器件集成技术,是后摩尔时代具有革命性意义的创新技术。