【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】2026年2月11日，物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所王劍威教授、龔旗煌教授團(tuán)隊與電子學(xué)院常林研究員團(tuán)隊在《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(luò)》(“Large-scale quantum communication networks with integrated photonics”)的突破性研究成果。研究團(tuán)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(xué)微腔光頻梳光源芯片，并構(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(luò)——“未名量子芯網(wǎng)”。該量子網(wǎng)絡(luò)支持20個芯片用戶并行通信，兩兩通信距離達(dá)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(dá)3700公里，在芯片用戶規(guī)模與組網(wǎng)能力上均達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)原理，可實現(xiàn)理論上無條件安全的通信。其中，雙場量子密鑰分發(fā)(TF-QKD)兼具測量設(shè)備無關(guān)的安全性與超長距離傳輸優(yōu)勢，且天然適用于星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可集中配置昂貴的超導(dǎo)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)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)的重要方案之一。然而，TF-QKD的實現(xiàn)高度依賴遠(yuǎn)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(shè)備實用化和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化的重要路徑之一。自2004年提出集成量子密鑰分發(fā)芯片概念以來，過去20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(xué)團(tuán)隊在該領(lǐng)域長期深耕，前期已實現(xiàn)多項國際領(lǐng)先成果，包括兩芯片間量子糾纏分發(fā)與量子隱形傳態(tài)(Nature Physics 2020)、多芯片間量子糾纏網(wǎng)絡(luò)(Science 2023)、面向空間光量子通信的渦旋光糾纏芯片(Nature Photonics 2025)。
團(tuán)隊在中心服務(wù)器節(jié)點采用高品質(zhì)因子氮化硅光學(xué)微腔頻率梳作為種子光源陣列，通過自注入鎖定方式產(chǎn)生線寬達(dá)赫茲量級的超低噪聲相干暗脈沖頻率梳，頻率梳經(jīng)下行光纖分發(fā)至各用戶節(jié)點并完成解復(fù)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功能模塊，實現(xiàn)了晶圓級制造、高良率、低成本、高性能的QKD芯片解決方案。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(wù)器端，最終實現(xiàn)單光子干涉與測量。
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。頻梳工作于1550nm通信波段，鎖定后梳齒頻率噪聲功率譜密度的白噪聲基線約為13Hz2Hz-1，對應(yīng)短時線寬約40Hz，展現(xiàn)出優(yōu)異的相干性。片上集成分布式布拉格反射器激光器具有調(diào)諧范圍，在注入鎖定條件下，其頻率與相位可高度復(fù)制種子光，線寬達(dá)到相當(dāng)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(qiáng)度調(diào)制器)測試結(jié)果顯示，干涉消光比超過33dB，其中117個器件性能正常，良率達(dá)97.5%。研究團(tuán)隊進(jìn)一步搭建了多芯片協(xié)同的量子網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多用戶并行運(yùn)行發(fā)送-不發(fā)送TF-QKD協(xié)議。系統(tǒng)在204公里和370公里上行鏈路條件下均實現(xiàn)低誤碼率運(yùn)行，并在370公里處突破無中繼線性碼率極限，相對理論上界提升最高達(dá)251.4%。
北京大學(xué)物理學(xué)院博士后鄭赟、2022級博士研究生王涵與、博士后賈新宇、電子學(xué)院2024級博士研究生黃佳輝、博士后袁慧宏為文章共同第一作者。鄭赟、常林、王劍威為共同通訊作者。主要合作者還包括北京郵電大學(xué)特聘研究員石涇波，埃因霍芬理工大學(xué)副教授焦雨清，北京大學(xué)物理學(xué)院教授龔旗煌、李焱，電子學(xué)院教授王興軍，浙江大學(xué)教授戴道鋅、時堯成，北京量子信息科學(xué)研究院首席科學(xué)家袁之良等。
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