极紫外与 X 射线是波长小于几十纳米的电磁波。基于瑞利判据，极紫外与 X射线系统可以获得几十纳米甚至是几纳米的空间分辨率。各种原子在极紫外与 X 射线波段有大量内壳层吸收边，因此可形成具有元素分辨能力的检测方法。由于极紫外与 X 射线波长短，衍射极限分辨的光学系统所需光学元件的加工、镀膜与集成方法所需精度比常规可见光系统的高 1-2 个数量级。针对极紫外正入射望远镜和显微镜研制的需求，完成了所需基板的加工与检测、精确镀膜和系统集成，实现了面形纳米精度的基板制作、皮米精度膜层厚度的误差控制、纳米量级波前系统的集成，研制了 46.5nm 极紫外正入射望远镜，并发射成功，获得了 8 角秒分辨率太阳高过渡区的图像，为太阳物理研究提供了重要支撑。发展了 X 射线多层膜微观性能与反射率间关系的综合表征方法，发明了材料掺杂、超薄阻隔层、重离子轰击等多种减小膜层界面间粗糙度的方法并揭示了相应机理，建立了磁控溅射镀膜过程的模拟方法和膜层均匀性的修正方法，研制了可镀制 1m 长基板的 X 射线多层膜镀膜设备，成功制作了多种上海光源二期线站工程单色器用的 X射线多层膜，打破了国外的垄断，且反射率略高于国外多层膜性能，这为国内同步辐射与自由电子激光大科学装置用高性能 X 射线多层膜研制奠定了坚实基础。

光学在航天领域发挥着越来越重要的作用。为了满足航天领域不同应用所面临的恶劣环境要求，如恶劣的力学、温度、热真空和空间辐照等，必须通过新的原理、方法、材料或技术等，实现满足环境要求的技术和产品。报告主要介绍了新型相干布居囚禁（CPT）原子磁力仪为满足航天应用要求所做的一些工作，另外简单报告了基于光纤信号感知的高速飞行器撞击动态测量系统。卫星磁测量可实现全球磁场的分布式测量，对地震预报、地磁导航等有重要作用。已有卫星磁测量的标量原子磁力仪中，光泵磁力仪存在盲区，需要三个探头或者转向机构，体积质量功耗大且可靠性低；质子磁力仪测量速率仅有几赫兹 , 空间分辨率低。之前仅奥地利有 CPT 原子磁力仪产品，但需磁通门等矢量磁力仪输入参考的磁场方向，且在平行 / 垂直工作模式切换时容易产生误差。作者及其项目团队提出了自主全向 CPT 原子磁力仪技术方案，攻克了需要外部参考进行工作模式切换的难题，满足了卫星磁测量时轨道变化引起磁场方向变化对磁力仪全向测量能力的要求。该技术使磁力仪的舱外部件满足了 3.7Mrad（Si）总剂量空间辐照和 100℃温度环境的适应性，同时解决了磁场变化较大时失锁状态的自动识别和重新锁定难题，磁力仪预期寿命超过 9 年，经过第三方评测，磁力仪准确度 0.14nT，噪声 9pT/Hz1/2@1Hz。整体性能优于进口产品，噪声达到国际领先水平。报告针对高速撞击系统制导精度难以精确评定的难题，介绍了高速飞行器撞击过程的动态测量系统，可以在极端时间内快速、高精度获得撞击位置，并实现了撞击毁伤过程的反演。

铌酸锂集压电、倍频、电光和光折变等特性于一身 , 被认为是非线性光学的模型晶体 , 已经表现出巨大的实用价值 , 在其诞生以来的近百年中 , 已经在国土安全、医学检测、高能物理、工业探测等领域占据着不可或缺的地位。近期，铌酸锂薄膜以其高折射率梯度、高光场局域、兼容半导体微纳加工工艺等特性，迅速成为国际研究的热点。铌酸锂材料及其相关核心器件的需求也迎来急剧爆发期 , 对于产生新型集成光子学器件及其相关的信息技术具有重要推动作用。同时，铌酸锂研究与应用也面临着从机制、材料、微纳加工、到实际应用接口等各个环节的挑战。本报告围绕铌酸锂材料优化与非线性光学新效应及其应用的发展 , 针对铌酸锂研究与应用遇到的瓶颈问题，介绍了报告人课题组近几年在铌酸锂非线性过程新原理与机制、缺陷调控工程与材料光电性能优化及其在信息技术中的应用、材料微纳加工与微纳集成光子学元器件等方面取得的若干研究进展，主要包括铌酸锂晶体缺陷工程与材料光电特性优化及其光电器件应用、铌酸锂全息材料从全息存储到三维显示的发展、非线性黄昆方程构建与太赫兹波巨非线性光学效应、铌酸锂光学超构表面制备及其非线性光学效应、铌酸锂微纳集成光子学新式元器件研制等具体研究内容。

从上世纪 80 年代初 Benioff、Feynman 等提出量子计算概念、Deutsch 建立通用量子图灵机理论、90 年代 Shor 提出大数分解算法和量子纠错以来，当前科学前沿的重大挑战之一是如何找到一种可靠的物理体系，可扩展和高精度地操纵量子比特，从而构建具有超越经典算力的量子计算机。量子计算大致分为四个发展阶段。第一阶段，是寻找和发展可以实现相干叠加的物理体系，演示基本的量子逻辑门和少比特量子算法。作为光量子计算实验的早期开拓者，笔者在国际上率先开展了簇态制备 [Lu Nature Physics 2007]、利用光子实现 Shor 分解 [Lu PRL 2007]、容失编码 [Lu PNAS 2008]、线性方程组 [Cai PRL 2013] 和量子机器学习 [Cai PRL 2015] 等主流算法。首次实现多自由度量子隐形传态（Wang Nature 2015），为可扩展量子计算网络奠定了物理基础。第二阶段，也是量子计算领域 40 年来的一个重大里程碑目标是“量子计算优越性”，即真正造出量子计算原型机，在对特定问题的求解上展示出超级计算机无法比拟的算力。这个标志性的从“物理演示”到“真正算力”的拐点既是实用化量子计算的第一步，也是检验“扩展丘奇—图灵论题”的有效途径。利用光子通过“玻色取样”实现量子计算优越性需要操纵至少 50 个光子。此前，国际学术界经过 30 年的努力最多只能探测 8 个光子（2015 年自然科学一等奖）。用当时最好的量子光源和线路，操纵 50 光子成功概率低至 10-150 每秒！解决该挑战的关键在于高品质单光子源。在半导体体系，首创脉冲共振荧光激发技术（He Nature Nanotechnology 2013），确保单光子发射的确定性和高全同性；突破高 Purcell 因子的微腔耦合技术（Ding PRL 2016），设计原位非对称微腔耦合量子点（Wang Nature Photonics 2019）和双色共振相干激发（He Nature Physics 2019）方案和技术，在国际上首次成功研制出同时具备高纯度、高全同性、单偏振和高效率的确定性单光子源。在非线性光学方面，提出相位匹配、共线参量转换、频率解关联等，首次实现 8 光 子（Yao Nature Photonics 2012）、10 光 子（Wang PRL 2016）、12 光子纠缠（Zhong PRL 2018）、多自由度 18 比特超纠缠态制备（Wang PRL 2018），五次刷新光量子纠缠的国际记录。在上述基础上，研制 76 个光子的量子计算原型机“九章”，在国际上首次用光子实现具有历史性意义的“量子计算优越性”（Zhong Science 2020）。进一步，提出量子光源受激放大方案，研制出 113 光子和 255 光子的九章二号和三号，实现相位编程功能（Zhong PRL 2021）。基于“九章”完成对稠密子图和 Max-Haf 两类具有实用价值的图论问题的求解（Deng PRL 2023）。首次证明虚数 i 在量子力学中的必要性（Chen PRL 2022）。第三阶段是实现专用量子模拟机，目前正在布局。第四阶段是实现可编程通用量子计算机，操纵数百万个量子比特。

氮化镓和碳化硅等宽禁带半导体具有禁带宽度大、化学稳定性优良、热导系数高、以及抗辐射能力强等优势，是发展高性能可见 - 紫外光电等器件的核心材料，广泛应用于半导体照明、新型显示、紫外探测与成像、电网安全监测、环境监测等领域，在促进国民经济、社会发展及国防建设中发挥了重要作用，属于战略必争技术。团队近年来围绕宽禁带半导体光电子器件所面临的关键科学与技术问题开展了系统研究。面向国防预警、高端制造等领域的技术需求，构建宽禁带半导体极化辅助雪崩和空穴诱导雪崩器件设计理论，提出高填充因子倾斜终端新结构，研制成功高性能 AlGaN 基日盲紫外探测器、SiC 紫外单光子探测器和极紫外探测器；发展高灵敏空天日盲紫外探测成像技术，开拓高超声速飞行器尾焰和激波、航空发动机尾焰等日盲紫外探测成像新领域。面向信息显示技术的需求，开辟自旋操控和注入新路径，首创拓扑自旋固态光源芯片；创建激子能量高效传输新模型，研制成功高性能微小尺寸 LED 阵列发光芯片；提出氮化镓基微小尺寸 LED 阵列与二硫化钼 TFT 集成方案，创新三维异质集成技术路径；建成全球首条 2.5 代显示用微小尺寸 LED 工艺示范线，研制出系列高性能微小尺寸 LED 芯片，发展高良率激光转移修复新技术，研发成功微小尺寸 LED 4K 直显屏、特种应用微显屏等。