2月12日消息，北京大學物理學院官微2月12日宣布，該院現(xiàn)代光學研究所王劍威教授、龔旗煌教授團隊與電子學院常林研究員團隊，在國際頂級學術(shù)期刊《自然》上發(fā)表了題為“基于集成光量子芯片的大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡”的突破性研究成果。

研究團隊成功研制出全功能集成的高性能量子密鑰發(fā)送芯片與光學微腔光頻梳光源芯片，并在此基礎上構(gòu)建了全球首個基于集成光量子芯片的大規(guī)模量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡——“未名量子芯網(wǎng)”。該量子網(wǎng)絡支持20個芯片用戶并行通信，兩兩通信距離達370公里并打破無中繼界限，組網(wǎng)能力（客戶端對數(shù) × 通信距離）達3700公里，在芯片用戶規(guī)模與組網(wǎng)能力上均達到國際領先水平。

研究還進一步驗證了基于磷化銦和氮化硅的材料體系在光量子芯片制造中的優(yōu)越性，具備晶圓級加工的高良率、高性能與強擴展性特點，為實現(xiàn)低成本、大規(guī)模制備奠定了工藝基礎。此項突破為未來建設覆蓋更遠距離、容納更多用戶、支撐更大規(guī)模的實用化量子保密通信網(wǎng)絡提供了堅實的芯片級解決方案。

量子密鑰分發(fā)基于量子力學原理，可實現(xiàn)理論上無條件安全的通信。我國在量子衛(wèi)星密鑰分發(fā)及天地一體化量子網(wǎng)絡方面已取得一系列重大成果，處于全球引領地位。其中，雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）兼具測量設備無關(guān)的安全性與超長距離傳輸優(yōu)勢，我國科學家已實現(xiàn)光纖中千公里級點對點密鑰分發(fā)。該協(xié)議天然適用于星型網(wǎng)絡架構(gòu)，可集中配置昂貴的超導單光子探測資源于中心節(jié)點，大幅降低用戶端成本，被視為實現(xiàn)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡的重要方案之一。然而，TF-QKD的實現(xiàn)高度依賴遠程獨立激光源之間穩(wěn)定的單光子干涉，對光源噪聲抑制及全局相位的高精度鎖定與追蹤提出了極高要求，現(xiàn)有實驗大多仍基于體塊或分立光纖器件，且多數(shù)為兩用戶點對點系統(tǒng)。

量子密鑰分發(fā)芯片（QKD芯片）是實現(xiàn)量子通信系統(tǒng)小型化、設備實用化和網(wǎng)絡規(guī)模化的重要路徑之一。自2004年日本NTT首次提出集成量子密鑰分發(fā)芯片概念以來，過去二十余年間，QKD芯片與器件的功能不斷完善、性能持續(xù)提升。北京大學團隊在該領域長期深耕，前期已實現(xiàn)多項國際領先成果，包括兩芯片間的量子糾纏分發(fā)與量子隱形傳態(tài)[Nature Physics 16, 148 (2020)]、多芯片間的高維糾纏量子網(wǎng)絡[Science 381, 221 (2023)]，以及適用于空間光量子通信的渦旋光糾纏芯片[Nature Photonics 19, 471 (2025)]等。自2019年起，實驗室團隊持續(xù)投入QKD芯片及量子網(wǎng)絡相關(guān)研究，經(jīng)過六年多技術(shù)積累與攻關(guān)，最終在基于光量子芯片的雙場量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡領域取得重要進展，實現(xiàn)了面向多用戶、長距離、大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡的系統(tǒng)性突破。

圖1 基于光量子芯片的“未名號”大規(guī)模量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡：a，雙場量子密鑰分發(fā)芯片網(wǎng)絡架構(gòu)。b,20個QKD芯片和微梳光源芯片實物照片。

在典型的TF-QKD應用中，需要在各用戶間分發(fā)頻率與相位基準，以建立遠程獨立激光器之間的相干性，安全密鑰通過不可信節(jié)點處的單光子干涉獲得。研究團隊采用波分復用技術(shù)構(gòu)建大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡，使各網(wǎng)絡用戶能并行發(fā)送量子信號。信號經(jīng)長距離光纖傳輸至中心服務器節(jié)點后，完成解復用、干涉與單光子探測，從而提取安全密鑰。傳統(tǒng)基于分立光學器件的多波長、多用戶系統(tǒng)架構(gòu)極為復雜，而集成光子技術(shù)為實現(xiàn)系統(tǒng)小型化與高穩(wěn)定性提供了可行路徑。本工作中，研究團隊在中心服務器節(jié)點采用高品質(zhì)因子氮化硅光學微腔頻率梳作為種子光源陣列，通過自注入鎖定方式在通信波段產(chǎn)生線寬達赫茲量級的超低噪聲相干暗脈沖頻率梳，無需復雜的電子控制系統(tǒng)或桌面級激光器。該頻率梳的梳狀譜線經(jīng)下行光纖分發(fā)至各用戶節(jié)點并完成解復用。用戶端采用了20個獨立的磷化銦光量子芯片，每個QKD芯片單片集成了激光器、調(diào)制器、衰減器、密鑰編碼與解碼器件等全部關(guān)鍵功能模塊，實現(xiàn)了晶圓級制造、高良率、低成本、高性能的QKD用戶芯片解決方案。通過光頻梳種子光對用戶端本地激光器進行注入鎖定，其相位噪聲被顯著抑制。隨后，系統(tǒng)基于弱相干態(tài)完成量子態(tài)編碼，編碼后的信號經(jīng)上行光纖發(fā)送至服務器端，最終實現(xiàn)單光子干涉與測量。完整的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

圖2 集成光量子芯片關(guān)鍵性能表征。a,服務器端氮化硅微腔光頻梳種子激光光源芯片。b,暗脈沖光頻梳光譜。c，光頻梳各梳齒的頻率噪聲功率譜密度。d，全集成的磷化銦QKD用戶發(fā)送端芯片。e，用戶端本地片上激光器的波長調(diào)諧范圍。f，用戶端片上調(diào)制器半波電壓與調(diào)制深度。

圖2系統(tǒng)展示了微腔光梳芯片與QKD發(fā)送芯片的關(guān)鍵性能。如圖2a–c所示，自注入鎖定在產(chǎn)生暗脈沖頻率梳的同時顯著抑制相位噪聲。該頻梳工作于1550 nm通信波段，自由光譜程為30 GHz；鎖定后梳齒頻率噪聲功率譜密度的白噪聲基線約為13 Hz2Hz-1，對應短時線寬約40 Hz，展現(xiàn)出優(yōu)異的相干性，并可穩(wěn)定連續(xù)運行超過12小時。圖2d給出了用戶端磷化銦QKD發(fā)送芯片的結(jié)構(gòu)設計及電學封裝后的實物圖。片上集成分布式布拉格反射器（DBR）激光器的調(diào)諧范圍如圖2e所示，在注入鎖定條件下，其頻率與相位可高度復制種子光，線寬達到相當水平。對20個用戶芯片上的120個相位調(diào)制器（構(gòu)成60個強度調(diào)制器）測試結(jié)果顯示，平均半波電壓約5.8 V，干涉消光比超過33 dB，其中117個器件性能正常，良率達97.5%。值得強調(diào)的是，該研究還證明了微腔光梳芯片與QKD發(fā)送芯片在晶圓級工藝下表現(xiàn)出高度一致性與高良率，表明該技術(shù)路線具備低成本規(guī)?；圃鞚摿?，對構(gòu)建大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡具有關(guān)鍵意義。