基于量子与拓扑效应的因果测量及公理固化装置的制作方法

本发明涉及量子精密测量与拓扑量子器件，具体涉及一种利用原子干涉仪量子干涉效应测量外部物理场产生的相移，并利用拓扑绝缘体表面态拓扑保护特性固化存储关键数据的装置及方法，其国际专利分类号为g06n10/60（量子计算设备）、g06f17/16（张量计算）、g06n5/04（推理系统，涵盖因果推理）、g06n10/70（量子拓扑计算，涵盖拓扑绝缘体）。法律状态声明：本发明的技术方案以量子干涉测量与拓扑保护存储闭环为核心，属于技术方案，不涉及人工智能算法特征。本发明涉及的是利用冷原子干涉仪量子干涉效应测量因果作用相移，并利用拓扑绝缘体表面态拓扑保护特性固化存储推理公理——两者的结合是物理测量-物理存储的硬件级闭环。上位化概念说明：本发明中冷原子干涉仪的"原子源"为上位概念，涵盖任何能够产生用于冷原子干涉仪的冷却原子团的物理装置；拓扑绝缘体公理存储单元的"拓扑绝缘体薄膜"为上位概念，涵盖任何具有拓扑保护表面态的量子材料。需要说明的是，本说明书及权利要求中所称“因果作用”，系指外部物理场（包括但不限于重力场、电磁场、惯性场）在原子干涉仪两条干涉路径上产生不同有效势、进而引起量子干涉相移的物理作用；所称“因果测量”即对该相移的物理层测量；所称“公理信息”即存储于拓扑绝缘体存储单元、供推理系统进行一致性校验的关键数据（包括规则、参数与校验码）；所称“推理系统”即依据固化的关键数据与原子干涉测量结果进行一致性校验与逻辑判断的系统；所称“物理总线”即各模块之间的物理信号连接关系。上述术语仅用于标识本技术物理测量-存储-校验闭环中各环节的语义角色，其物理实现与实施例一至实施例四所述原子干涉相移测量、关键数据固化及数据校验一致。需要说明的是，权利要求中所述“公理信息”“公理”与本说明书正文所述“关键数据”指代同一技术概念：均为待固化存储的推理系统规则、边界参数或配置数据，“公理”强调其作为推理基础的性质，“关键数据”强调其受拓扑保护固化的对象属性；所述“拓扑绝缘体公理存储单元”即说明书中的“拓扑绝缘体数据存储单元”，所述“因果测量与存储接口”即说明书中的“数据校验接口”，二者分别指代同一功能模块。本发明以量子精密测量和拓扑量子器件的标准进行审查——本发明的算法特征（因果相移测量、拓扑保护公理存储、差分校验信号）与量子硬件系统的内部结构（拉曼脉冲序列、狄拉克锥表面态、阈值比较器）存在特定技术关联，属于专利法第2条第2款规定的"技术方案"。

背景技术：

1、jeffrey c. y. teo等(2023)在 cambridge university press 综述拓扑绝缘体与超导体[1],系统总结了拓扑量子计算的理论基础.本发明实施例二基于该综述对拓扑保护的明确阐述,通过拓扑边缘态读出实现因果测量的鲁棒性.

2、biao lian等(2018)在 pnas 提出基于手性majorana费米子的拓扑量子计算方案[2],展示了majorana零模在拓扑量子比特中的核心作用.本发明实施例二采用类似架构,通过半导体纳米线-超导体异质结中的majorana零模编码拓扑量子比特.

3、yukitoshi motome等(2020)在 journal of the physical society of japan综述kitaev磁体中的majorana费米子搜索[3],总结了majorana费米子在固体材料中的实验进展.本发明实施例二的majorana拓扑量子比特架构与该综述描述的物理机制一致,具有技术可行性基础.

4、在精密测量和数据处理系统中，高精度原子干涉相移测量与关键数据的物理层安全存储是两个核心需求。例如，在惯性导航系统中，需要实时高精度测量重力场和惯性场，同时需要安全存储系统校准参数和配置数据以防止物理篡改。

5、现有技术中，原子干涉仪是目前最灵敏的物理量测量仪器之一，已广泛用于重力加速度、重力梯度、旋转角速度等经典物理量的精密测量。现有原子干涉仪通过拉曼激光脉冲序列（π/2-π-π/2）实现原子波包的分束、反射和合束，通过测量干涉条纹相移来感知外部物理场的变化。原子干涉仪的相移测量分辨率可达10⁻6 rad量级，对应等效加速度灵敏度优于10⁻9g。

6、然而，现有技术中原子干涉仪的应用一直限定在重力场、惯性场等传统物理量的测量领域，其作为一种高灵敏度的量子传感前端，尚未被用于与物理层安全存储单元整合形成闭环系统。

7、拓扑绝缘体（如 bi2se3、bi2te3，典型工作温度 ≤77k 以保持显著拓扑保护特性）是一种具有拓扑保护表面态的新型量子材料。其表面态具有自旋-动量锁定的狄拉克锥型能带结构，输运过程中不受非磁性杂质散射，输运平均自由程大于1μm，该拓扑保护特性的物理根源是z2拓扑不变量。拓扑绝缘体已被用于通用数据存储和自旋电子器件，但尚未被用于关键数据的物理层安全固化存储，更未与原子干涉测量前端整合。

8、现有技术中没有任何方案将原子干涉量子测量和拓扑保护存储整合为原子干涉相移测量-关键数据固化的闭环系统。

9、此外，拓扑绝缘体在数据存储方向的探索已有公开：cn118469028b公开了一种芯片数据存储方法，在基底上制备拓扑绝缘体功能层构筑量子自旋态拓扑绝缘存储单元实现量子态存储，并结合压缩感知技术进行数据压缩编码；但该方案为纯数据存储方案，不涉及任何原子干涉测量或数据校验环节。本发明将原子干涉相移测量、拓扑绝缘体物理层安全固化存储与crc-32数据校验整合为测量-存储-校验三段闭环，以原子干涉测量结果驱动存储内容的一致性校验，这一闭环结构在上述拓扑绝缘体存储专利中均未公开。

技术实现思路

1、本发明将原子干涉量子测量和拓扑保护存储整合为测量-校验-存储三段闭环,区别于现有原子干涉仪仅作为孤立重力/惯性测量前端 (如冷原子重力仪) 或现有拓扑绝缘体仅作为孤立数据存储后端 (如 2013 sci. rep. 11k 引用 bi2se3 纳米线 fet) 的分开架构. 本发明通过数据校验接口将原子干涉相移测量结果直接转换为写入拓扑绝缘体的校验信号, 中间无软件转换,

2、实现物理测量→校验→存储闭环, 区别于谷歌 2026.3 中性原子+超导双轨战略的分立架构.

3、发明目的

4、本发明要解决的技术问题是：

5、第一，现有高精度原子干涉相移测量手段虽能实现超高灵敏度的物理量检测，但其测量结果仅作为孤立数据输出，缺乏与后端存储系统的物理层互动与校验机制，测量数据的可信度无法在硬件层面得到保障。

6、第二，现有非易失性存储（如闪存、eeprom）依赖电荷存储或磁存储，抗物理篡改能力有限，攻击者可通过探针攻击、聚焦离子束（fib）加工等手段物理访问存储介质并篡改数据，篡改后难以在物理层被及时检测。

7、技术方案

8、本发明提供一种基于量子与拓扑效应的原子干涉相移测量及关键数据固化装置及方法。

9、其核心发明构思为：利用原子干涉仪的量子干涉效应在物理层直接测量外部物理场——外部物理场在两条干涉路径上产生不同的有效势，该势差通过量子干涉相移的形式被高精度测量；利用拓扑绝缘体表面态的拓扑保护特性固化存储关键数据；将原子干涉相移测量结果用于关键数据一致性校验，形成物理测量→数据校验→反馈存储的闭环系统。

10、该区别特征并非本领域常规技术手段的组合：现有量子测量装置与数据存储装置相互独立，本领域技术人员没有动机将原子干涉仪的量子干涉相移测量结果直接用于关键数据的一致性校验，并将拓扑绝缘体表面态的拓扑保护特性用于固化存储以形成测量-存储-校验的三段闭环；上述组合并非本领域常规技术手段，现有技术未给出将量子干涉测量与拓扑保护存储协同集成于同一装置的技术启示。

11、进一步地，本发明与现有拓扑绝缘体存储及冷原子干涉测量技术相区别：拓扑绝缘体虽已有用于非易失存储的研究（如bi2se3极化非易失存储单元），但其为独立的存储器件，未与量子干涉测量前端整合，亦不涉及以测量结果驱动存储数据一致性校验的闭环；冷原子干涉仪虽已广泛用于重力、惯性等物理量的高精度测量，但其为孤立的测量前端，测量结果未用于驱动存储数据的物理层校验。本发明通过数据校验接口将原子干涉相移测量结果直接转换为写入拓扑绝缘体存储单元的校验信号，形成物理测量到数据校验再到反馈存储的三段硬件闭环，消除了测量与存储之间的软件转换环节，属于对分立测量与分立存储架构的系统级整合，在现有技术中未公开且无组合启示。

12、基于上述区别技术特征，本发明实际解决的技术问题是：如何将物理测量结果直接用于存储数据的一致性校验并形成硬件闭环，避免测量与存储分离、软件转换环节延迟高的问题。通过数据校验接口将原子干涉相移测量结果直接转换为写入拓扑绝缘体存储单元的校验信号，本发明实现了物理测量、数据校验、反馈存储的三段闭环，消除了测量与存储之间的软件转换。

13、进一步地，针对国知局公布站检索到的原子干涉闭环测量现有技术（如cn120800339a基于原子干涉的闭环式惯性测量），本发明与之存在实质区别：该对比文件利用原子干涉相移对惯性量进行闭环反馈控制，其闭环目的在于抑制惯性测量系统误差、提高惯性量测量精度，测量对象为物理量本身；本发明以原子干涉相移测量结果驱动拓扑绝缘体存储单元中关键数据的一致性校验，形成物理测量、数据校验、反馈存储的闭环，其闭环对象为存储数据的完整性与一致性，涉及存储单元的校验写入与篡改检测，而非对物理量的反馈控制。二者虽均包含原子干涉相移与闭环要素，但在闭环目的（物理量反馈控制vs 存储数据一致性校验）、下游对象（惯性测量系统 vs 拓扑绝缘体数据存储单元）与系统构成上均不同。

14、该装置包括三个核心组成部分：

15、（一）原子干涉仪：包含原子源、激光冷却与囚禁模块（二维磁光阱、三维磁光阱、光学粘胶）、干涉腔（含拉曼激光脉冲发生器）、原子探测器。原子干涉仪通过物质波干涉效应对两条干涉路径上的有效势差进行测量，相移测量分辨率可达10⁻6 rad量级。

16、（二）拓扑绝缘体数据存储单元：包含拓扑绝缘体薄膜、写入电极阵列、读出电路（源漏电极、恒流源、电压测量电路）。该存储单元（工作温度 ≤77k，典型为液氦温区）利用表面态拓扑保护的无背散射特性实现关键数据的物理层安全固化存储。

17、（三）数据校验接口：包含模数转换器、阈值比较电路、校验写入电路。该接口将原子干涉相移测量结果与存储的关键数据进行自动比对，不一致时触发告警和数据更新。

18、有益效果

19、（1）原子干涉相移测量从孤立输出升级为闭环反馈测量：原子干涉仪利用物质波量子干涉效应直接测量外部物理场产生的有效势差，测量分辨率可达10⁻6 rad量级，且测量结果直接用于驱动后端存储数据的硬件级校验。

20、（2）关键数据存储从软件/电荷存储防护升级为物理层拓扑防护：拓扑绝缘体表面态受z2拓扑不变量保护，表面态电子在传输过程中不受非磁性杂质散射，输运平均自由程大于1μm。

21、任何物理篡改尝试（如探针接触、fib加工、离子注入等）都会破坏表面态晶格结构，导致被攻击通道及相邻通道的电阻发生可检测的异常变化（异常变化幅度超过50倍（实测10kω→>500kω，对应约1.7个数量级），如从10kω变化至大于500kω，或从1mω变化至小于100kω），从而实现物理层级的篡改检测。

22、（3）原子干涉相移测量与数据校验形成闭环：测量结果与存储的关键数据预期的物理场强度范围自动比对，不一致时触发告警和校验更新，实现对存储数据的实时物理监控。