一作兼通讯！北京大学，最新Nature

一张“量子网”，连通370公里

量子密钥分发（QKD）被认为是未来实现“绝对安全通信”的核心技术。然而，如何在长距离条件下，同时支持大量用户接入，一直是量子通信领域最具挑战性的难题之一。传统的可信中继网络存在安全隐患，点对点系统难以扩展，多波长纠缠网络距离受限，而量子中继技术尚未成熟。近年来，双场量子密钥分发（TF-QKD）在理论上突破了无中继通信距离极限，但如何构建真正“可规模化”的量子网络，仍缺少系统级解决方案。

在此，北京大学王剑威教授、郑赟博士和常林研究员首次实现基于集成光子芯片的大规模TF-QKD网络原理验证。该系统集成20个独立量子密钥发射芯片，在370公里光纤距离下全部超越无中继极限，总网络能力达到3,700公里，标志着量子通信从“单链路突破”迈向“规模化组网”的关键一步。相关成果以“Large-scale quantum communication networks with integrated photonics”为题发表在《Nature》上，郑赟, Hanyu Wang, Xinyu Jia, Jiahui Huang, Huihong Yuan为共同第一作者。

构建真正可扩展的量子网络

论文首先从整体架构出发，展示了面向未来的多用户量子通信网络蓝图（图1a）。不同于传统网络依赖可信中继节点，这种基于双场协议的结构采用“星型拓扑”，所有用户连接到一个不可信中央节点，通过单光子干涉实现密钥生成。这种架构既保留了测量设备无关（MDI）的安全优势，又显著提升了通信距离。在此基础上，团队提出“未名量子芯片网络”概念（图1b）。核心在于一个服务器端集成光学微梳芯片，配合20个用户侧量子发射芯片。微梳芯片产生大量相干、超低噪声的频率梳线，为所有客户端提供统一频率参考；每个客户端芯片则独立完成相位编码与量子信号发射。图1c展示了实际使用的芯片实物照片：中央为氮化硅微梳芯片，周围是从3英寸InP晶圆上随机选取的20个量子发射芯片。值得强调的是，这些芯片并非“挑选优等品”，而是随机抽取即可全部工作，充分体现了晶圆级可制造性。

图1：集成光子TF-QKD网络整体架构与芯片实物展示。

微梳芯片：为全网提供“相干心脏”

要实现大规模TF-QKD，最关键的问题之一是获得大量线宽达Hz级的超低噪声激光源。团队通过将分布反馈（DFB）激光器与超高Q值氮化硅微环谐振腔耦合，实现自注入锁定，成功生成暗脉冲微梳（图2a,b）。图2c显示，微腔本征Q值平均高达2,000万，模式间隔约30 GHz。图2d呈现出平顶多通道频谱，可同时提供多条高质量梳线。更重要的是稳定性。图2e记录了连续12小时运行下的输出强度波动，几乎保持恒定；图2f则给出频率噪声测试结果，相比自由运行激光器噪声降低超过25 dB，白噪声底约13 Hz²/Hz，对应短时线宽约40 Hz，为TF-QKD提供了坚实基础。

在用户端，团队开发了单片集成InP量子发射芯片（图2h）。每个芯片集成两台激光器、相位调制器、强度调制器和可变衰减器，面积仅4.6×2 mm²。通过注入锁定技术，原本MHz级线宽的片上激光器被锁定到微梳梳线上，实现Hz级线宽输出（图2g,i）。图2j显示，锁定后的激光器可在多个波长间连续调谐，边模抑制比超过30 dB。在20个芯片中，120个电光调制器中仅3个存在硬件失效（图2k），整体良率高达97.5%。这意味着真正实现了“可复制的量子芯片制造”，为未来规模扩展奠定基础。

图2：服务器端微梳芯片与客户端InP量子发射芯片的结构与性能表征。

TF-QKD的核心在于超稳定单光子干涉。图3a展示了完整实验流程，包括初始化、编码与检测阶段。在370公里光纤（185+185 km）条件下，团队测试了10组用户对。图3b、3c显示参考光与量子光相位在秒级内剧烈波动（超过2π），主要来自信道噪声；但图3d给出的相位差ϕd波动明显更缓慢，说明激光噪声已被有效抑制。图3f,g进一步比较短下行链路与120公里长下行链路的相位漂移速率。即便在长链路情况下，通过调整校正周期，系统仍能保持稳定运行。最终实现：20个用户、370公里距离，总网络能力NL/2=3,700 km。

图3：双波长相位跟踪机制及370公里光纤下的相位稳定性测试。

全部链路超越无中继极限！

在204公里条件下，X基误码率维持在2.87–3.63%（图4a,c）；在370公里时为3.50–4.17%（图4b,d），均处于可接受范围。最令人振奋的是图4f：在370公里下，所有20个芯片链路均成功超越PLOB无中继极限，密钥率提升最高达251.4%。这意味着该网络真正突破了传统量子通信的物理上限。

图4：20个量子芯片在204 km与370 km下的误码率与安全密钥率表现。

小结

这项研究首次实现了基于集成光子芯片的多用户TF-QKD网络，验证了大规模量子通信的系统级可行性。通过微梳提供统一相干源、InP芯片实现可复制发射终端、双波长跟踪保证长距离稳定干涉，团队成功搭建了真正“可规模化”的量子网络原型。未来，通过拓展微梳带宽、提升SNSPD性能与优化协议，单链路距离有望突破1,000公里，用户数量可扩展至上百级别。同时，该系统天然兼容现有WDM光通信基础设施，为经典-量子融合网络铺平道路。量子互联网不再只是愿景——它正在走向工程化。