北京大学科研团队构建出首个大规模量子通信芯片网络

财联社2月12日讯，北京大学物理学院官微2月12日宣布，该院现代光学研究所王剑威教授、龚旗煌教授团队与电子学院常林研究员团队，在国际顶级学术期刊《自然》上发表了题为“基于集成光量子芯片的大规模量子通信网络”的突破性研究成果。

研究团队成功研制出全功能集成的高性能量子密钥发送芯片与光学微腔光频梳光源芯片，并在此基础上构建了全球首个基于集成光量子芯片的大规模量子密钥分发网络——“未名量子芯网”。该量子网络支持20个芯片用户并行通信，两两通信距离达370公里并打破无中继界限，组网能力（客户端对数 × 通信距离）达3700公里，在芯片用户规模与组网能力上均达到国际领先水平。

研究还进一步验证了基于磷化铟和氮化硅的材料体系在光量子芯片制造中的优越性，具备晶圆级加工的高良率、高性能与强扩展性特点，为实现低成本、大规模制备奠定了工艺基础。此项突破为未来建设覆盖更远距离、容纳更多用户、支撑更大规模的实用化量子保密通信网络提供了坚实的芯片级解决方案。

量子密钥分发基于量子力学原理，可实现理论上无条件安全的通信。我国在量子卫星密钥分发及天地一体化量子网络方面已取得一系列重大成果，处于全球引领地位。其中，双场量子密钥分发（TF-QKD）兼具测量设备无关的安全性与超长距离传输优势，我国科学家已实现光纤中千公里级点对点密钥分发。该协议天然适用于星型网络架构，可集中配置昂贵的超导单光子探测资源于中心节点，大幅降低用户端成本，被视为实现规模化量子通信网络的重要方案之一。然而，TF-QKD的实现高度依赖远程独立激光源之间稳定的单光子干涉，对光源噪声抑制及全局相位的高精度锁定与追踪提出了极高要求，现有实验大多仍基于体块或分立光纤器件，且多数为两用户点对点系统。

量子密钥分发芯片（QKD芯片）是实现量子通信系统小型化、设备实用化和网络规模化的重要路径之一。自2004年日本NTT首次提出集成量子密钥分发芯片概念以来，过去二十余年间，QKD芯片与器件的功能不断完善、性能持续提升。北京大学团队在该领域长期深耕，前期已实现多项国际领先成果，包括两芯片间的量子纠缠分发与量子隐形传态[Nature Physics 16, 148 (2020)]、多芯片间的高维纠缠量子网络[Science 381, 221 (2023)]，以及适用于空间光量子通信的涡旋光纠缠芯片[Nature Photonics 19, 471 (2025)]等。自2019年起，实验室团队持续投入QKD芯片及量子网络相关研究，经过六年多技术积累与攻关，最终在基于光量子芯片的双场量子密钥分发网络领域取得重要进展，实现了面向多用户、长距离、大规模量子通信网络的系统性突破。

图1 基于光量子芯片的“未名号”大规模量子密钥分发网络：a，双场量子密钥分发芯片网络架构。b,20个QKD芯片和微梳光源芯片实物照片。

在典型的TF-QKD应用中，需要在各用户间分发频率与相位基准，以建立远程独立激光器之间的相干性，安全密钥通过不可信节点处的单光子干涉获得。研究团队采用波分复用技术构建大规模量子通信网络，使各网络用户能并行发送量子信号。信号经长距离光纤传输至中心服务器节点后，完成解复用、干涉与单光子探测，从而提取安全密钥。传统基于分立光学器件的多波长、多用户系统架构极为复杂，而集成光子技术为实现系统小型化与高稳定性提供了可行路径。本工作中，研究团队在中心服务器节点采用高品质因子氮化硅光学微腔频率梳作为种子光源阵列，通过自注入锁定方式在通信波段产生线宽达赫兹量级的超低噪声相干暗脉冲频率梳，无需复杂的电子控制系统或桌面级激光器。该频率梳的梳状谱线经下行光纤分发至各用户节点并完成解复用。用户端采用了20个独立的磷化铟光量子芯片，每个QKD芯片单片集成了激光器、调制器、衰减器、密钥编码与解码器件等全部关键功能模块，实现了晶圆级制造、高良率、低成本、高性能的QKD用户芯片解决方案。通过光频梳种子光对用户端本地激光器进行注入锁定，其相位噪声被显著抑制。随后，系统基于弱相干态完成量子态编码，编码后的信号经上行光纤发送至服务器端，最终实现单光子干涉与测量。完整的网络架构如图1所示。

图2 集成光量子芯片关键性能表征。a,服务器端氮化硅微腔光频梳种子激光光源芯片。b,暗脉冲光频梳光谱。c，光频梳各梳齿的频率噪声功率谱密度。d，全集成的磷化铟QKD用户发送端芯片。e，用户端本地片上激光器的波长调谐范围。f，用户端片上调制器半波电压与调制深度。

图2系统展示了微腔光梳芯片与QKD发送芯片的关键性能。如图2a–c所示，自注入锁定在产生暗脉冲频率梳的同时显著抑制相位噪声。该频梳工作于1550 nm通信波段，自由光谱程为30 GHz；锁定后梳齿频率噪声功率谱密度的白噪声基线约为13 Hz2Hz-1，对应短时线宽约40 Hz，展现出优异的相干性，并可稳定连续运行超过12小时。图2d给出了用户端磷化铟QKD发送芯片的结构设计及电学封装后的实物图。片上集成分布式布拉格反射器（DBR）激光器的调谐范围如图2e所示，在注入锁定条件下，其频率与相位可高度复制种子光，线宽达到相当水平。对20个用户芯片上的120个相位调制器（构成60个强度调制器）测试结果显示，平均半波电压约5.8 V，干涉消光比超过33 dB，其中117个器件性能正常，良率达97.5%。值得强调的是，该研究还证明了微腔光梳芯片与QKD发送芯片在晶圆级工艺下表现出高度一致性与高良率，表明该技术路线具备低成本规模化制造潜力，对构建大规模量子通信网络具有关键意义。

图3 多用户TF-QKD芯片网络实验结果。a，b，c，长光纤信道中的相位涨落。d，e，误码率情况。f，g，20个QKD芯片用户最终成码表现。

研究团队进一步搭建了多芯片协同的量子网络，实现多用户并行运行发送–不发送 TF-QKD 协议。通过引入双波长信道相位追踪方案，尽管参考光（图3a）与量子光（图3b）在长光纤链路中经历快速相位涨落，但由于二者共纤传输且源自高度相干的光频梳，不同波长之间的相对相位仅缓慢漂移（图3c），从而可通过监测参考光实现对量子信号相位的有效补偿。团队系统评估了多波长共纤传输带来的线性串扰和非线性拉曼噪声，并通过优化滤波方案将噪声水平压低至接近探测器暗计数。最终，系统在204公里和370公里上行链路条件下均实现低误码率运行（图3d,e），并在370公里处突破无中继线性码率极限（PLOB bound），相对理论上界提升最高达251.4%（图3f,g）。此外，在更长的下行链路条件下（等效于构成总长490公里的闭环光纤马赫–曾德尔干涉仪），系统仍保持稳定相位追踪并实现安全成码，验证了方案在实际量子网络中的可行性。