实验室紧密围绕国家对江苏省的部署和江苏省的发展战略，结合自身优势，重点开展超导量子计算的原型机及产业化、片上集成的量子通信及量子网络、基于固体自旋的量子精密测量、量子基础理论四个方向的研究。
研究方向一：超导量子计算的原型机及产业化
针对高保真度大规模量子芯片操控、高维度量子系统构建、跨芯片量子逻辑门及态传输、有意义的量子计算及模拟算法等关键科学和技术问题，探索有特色的超导芯片设计和未来实现通用量子计算的途径。主要开展以下三个方面的研究：
1、高维度量子计算：高维度量子计算领域的研究方向有助于突破传统二进制量子比特的限制，提高量子信息处理的效率和能力。相比于传统的二能级量子比特（qubit），高维量子比特（qudit）在每个量子单元中包含更多的参数维度（如三维、四维或更高），可以存储更多信息。开发高保真度的qudit控制和操作方法，是提升计算效率的重要途径。
研究内容：（1）高维度量子门：在高维系统中，经典的量子门（如CNOT、Hadamard等）需要扩展成更复杂的多维门操作。设计和优化高维度量子门操作，提高操作效率和准确性，是提升高维量子计算可行性的重要课题。（2）高维度量子纠错：在高维度量子计算中，量子态更容易受到去相干和误差影响，需要新型的高维纠错码来增强计算的容错性。（3）抗扰性的量子操控：在高维系统中，量子态受退相干影响较大。将拓扑性质的保护措施引入高维量子比特，可以增强系统的抗干扰性，提高量子信息处理的稳健性。
2、分布式量子计算：随着量子芯片集成度增加，单个芯片的加工良率、大规模射频信号引线的扇出等限制了单芯片上有效量子比特数的增加，大量的量子比特也给极低温弱信号测控带来巨大挑战，分布式量子计算提供一个可能的解决方案。
研究内容：（1）在分布式量子计算和量子网络中，需要在不同量子节点间高效生成和分发纠缠态。这可以实现通过微波腔模式或者光学腔模式进行跨节点纠缠的生成和传输。（2）量子网络节点需要存储并管理大量量子信息，超导系统内的量子存储器能帮助协调多节点间的量子信息交换，平衡量子态生成和传输的时间差异。
3、实用化的量子模拟算法：目前量子芯片比特数和控制精度难于实现容错量子计算，因此亟待开发基于中等规模的量子计算和量子模拟算法，将量子计算推向实用化。
研究内容：（1）强关联系统的物理性质，因其复杂的多体相互作用而难以使用经典计算机建模。量子模拟可以精确研究这些系统的行为。（2）量子化学涉及的分子结构、化学反应、催化机理等问题在经典计算机上难以精确处理。（3）拓扑物态如拓扑绝缘体、拓扑超导体等材料具有抗噪声的特性，是量子计算和量子存储的重要候选。
研究方向二、基于光子芯片的集成化量子通信及量子网络
围绕光子芯片上光子态制备、编码、调制、传输、存储、探测等关键科学和技术问题，探索基于固态芯片的集成化光量子信息处理。包括以下三个方面的研究：
1、片上单光子探测器：在量子光学实验中，单光子探测器是核心设备。新型的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）利用了波导集成的结构，噪声、时间抖动、死时间等指标要比传统SNSPD更优，是光量子信息系统实用化的关键和构建未来规模化量子网络的核心器件。
研究内容：（1）实现高效率多通道的片上单光子探测：利用超导材料与硅基芯片兼容性，实验室团队将在光学波导上制备多个超导纳米线探测器，实现对波导光学模式的完全吸收，获得高探测效率。实现单个芯片上的多个探测器集成，与此同时保证探测器具有低内禀暗计数和微小时间抖动。（2）架构集成化量子通信系统：基于研制的探测系统，通过发展芯片化量子通信发射终端和多通道集成的接收终端，推动建立实用化的、可拓展的多用户量子密钥分发平台。
2、固态量子中继：在量子通信网络中，随着光量子比特的传输距离而指数级增加的光纤信道损耗，极大地限制了地面量子通信的通信距离，且无法通过经典手段克服。基于纠缠交换的量子中继方案，可以有效克服信道损耗。该方案的核心器件为量子存储器，是未来长程量子通信的关键功能单元。
研究内容:：（1）优化硅酸钇晶体质量，发挥具有半整数核自旋的饵同位素优势，提高量子存储效率。（2）提高光学微腔的品质因子，增加光源亮度并降低光子带宽，适配存储器。（3）实现空间、偏振等模式的存储，提高存储器的复用能力，拓展量子比特编码的自由度。
3、微结构光量子信息集成芯片的研究：发展集成化光电信息技术，实现光子态制备、编码、调制、传输、存储、探测等功能的集成，已成为5G、6G等新一代移动通信技术发展，以及量子计算和量子模拟等量子信息技术走向规模应用的重要途径，并且有望搭载于近年来飞速发展的无人机等移动平台，构建移动光信息网络，实现高速移动通信和远程量子精密测量与传感。以光学超晶格等微结构材料为基础，通过准相位匹配等基本原理的突破创新，可以实现经典与量子的光子态多维度调控，提高光源性能和光电信息处理的效率，推动光电信息产业发展。
研究内容：（1）基于光学超晶格与光学超构材料的微纳光子结构,解决不同波段光子混合集成的瓶颈问题，形成完善的跨波段光子芯片信息系统，设计不同波段光子系统间高效的光子频率转换接口，进而建立芯片化跨波段光通信网络，实现不同电磁波段的光子计算、量子模拟、量子精密测量和光传感等方面应用。（2）发展可在集成光学平台实现、具有量子优越性的量子机器学习算法；结合算法与大规模集成薄膜铌酸锂芯片制造技术，实现基于路径编码与频率（时间）编码的片上光量子神经网络，发展其在光量子智能计算的应用；研究低电压、高带宽、高线性度光调制器，基于光子芯片发展量子增强的高精度电场、温度等传感新方法。
研究方向三、基于固体自旋的量子精密测量
在量子精密测量方面，将围绕提高固体系统自旋退相干时间和增强目标探测能力这两个关键科学技术问题开展研究。主要包括以下两个方面：
1、提升固体自旋系统退相干时间：提升相干时间是基于固态自旋的量子技术发展的关键因素，因为相干时间直接影响量子态的稳定性和测量灵敏度。为了有效延长相干时间，研究者可以通过优化材料、改善实验环境以及发展新型控制技术来减少环境噪声和材料缺陷对自旋相干性的影响。
研究内容：（1）设计和加工单个以及耦合的固态自旋量子比特。（2）研究样品制备中的加工工艺。（3）探索在制备过程中如何准确控制样品的参数，以获得理想的固态自旋量子比特。（4）研究固态自旋量子比特中的退相干机制。
2、增强目标探测能力：在提升相干时间的同时，增强目标探测能力也是基于固态自旋的量子技术发展的重要方向。面对复杂的物理、材料和生物目标，结合多模态探测技术、先进的信号处理算法以及功能化探针设计，可以显著提高对微弱信号的识别能力和探测的灵敏度。通过将自旋探测与光学成像技术相结合，研究者能够实现对生物样品的高分辨率成像。此外，利用机器学习和数据挖掘技术，从背景噪声中提取有用信号，将进一步提升探测的准确性与特异性。这两方面的协同发展不仅将推动量子技术在科学研究中的应用，还将在医疗、生物传感器和材料科学等领域展现出巨大的潜力和价值。
研究内容：（1）在延长退相干时间的基础上，实现两个耦合自旋比特的条件操控等。（2）开展固态自旋量子比特探测技术及其对于磁场、电场等物理量的测量，并进行相关应用开发研究。
研究方向四、量子基础理论研究
将围绕量子信息科学的基本问题开展研究，为实验提供新的方案。主要包括：深入理解量子力学的基本规律，探索新奇量子现象、量子退相干机理，设计新的量子信息处理方案。预期发现1-2个多体量子系统的新规律及新现象。
