北大团队实现首个大规模量子通信芯片网络
据IT之家2月12日消息，北京大学的科研团队近期在量子通信领域取得了重要突破。2月11日，北京大学物理学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合作，在国际顶级学术期刊《自然》上发表了一项开创性研究成果。论文题为“基于集成光量子芯片的大规模量子通信网络”，系统展示了他们在这一前沿方向上的最新进展。
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研究团队成功研制出功能完全集成的高性能量子密钥分发芯片，以及配套的光学微腔光频梳光源芯片。在此基础上，他们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，并命名为“未名量子芯网”。该量子网络可支持多达20个芯片用户并行进行安全通信，任意两个用户之间的通信距离可达370公里，实现了无中继的远距离密钥分发。网络的整体组网能力（客户端数量与通信距离的乘积）达到了7400公里·用户的水平，在芯片用户规模与组网能力上均达到国际领先水准。
▲ 图1 基于光量子芯片的“未名号”大规模量子密钥分发网络示意图：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。
据介绍，量子密钥分发技术基于量子力学基本原理，能够实现理论上无条件安全的保密通信。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，双场量子密钥分发协议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，可将昂贵的超导单光子探测等核心资源集中配置于中心节点，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协议的实施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积庞大的分立光学器件，且多为两用户点对点系统，难以向大规模网络扩展。
▲ 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， 暗脉冲光频梳的光谱。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，用户端片上调制器的半波电压与调制深度。
量子密钥分发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、多芯片间的高维纠缠量子网络，以及适用于空间光量子通信的涡旋光纠缠芯片等。
本项工作在国际上首次实现了基于QKD芯片的量子网络，同时也是自2004年QKD芯片概念提出以来，首个发表于《自然》或《科学》正刊的该领域研究成果。未来，基于光量子芯片的量子密钥分发网络有望在规模、通信距离、系统功能与集成度等方面持续提升。通过进一步发展晶圆级先进异质异构集成技术，服务器端有望集成单光子探测、频率转换及线性光学处理等多种功能模块，从而显著增强网络的整体连通性、可重构性与可扩展性。
此外，北京大学集成量子光学实验室（Q-chip Lab）除在量子网络方向开展研究外，也长期致力于光量子计算与量子模拟等相关领域。
▲ 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。
本项研究工作得到了国家自然科学基金、“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金、国家博士后创新人才支持计划，以及北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室、北京量子信息科学研究院、山西大学极端光学协同创新中心、北京大学纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、合肥国家实验室等的大力支持。
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