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，在國際頂級學術期刊《自然》上發表了題為“基于集成光量子芯片的大規模量子通信網絡”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送芯片與光學微腔光頻梳光源芯片，并在此基礎上構建了全球首個基于集成光量子芯片的大規模量子密鑰分發網絡——“未名量子芯網”。該量子網絡支持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，組網能力（客戶端對數 × 通信距離）達3700公里，在芯片用戶規模與組網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，為實現低成本、大規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、支撐更大規模的實用化量子保密通信網絡提供了堅實的芯片級解決方案。
量子密鑰分發基于量子力學原理，可實現理論上無條件安全的通信。我國在量子衛星密鑰分發及天地一體化量子網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（TF-QKD）兼具測量設備無關的安全性與超長距離傳輸優勢，我國科學家已實現光纖中千公里級點對點密鑰分發。該協議天然適用于星型網絡架構，可集中配置昂貴的超導單光子探測資源于中心節點，大幅降低用戶端成本，被視為實現規模化量子通信網絡的重要方案之一。然而，TF-QKD的實現高度依賴遠程獨立激光源之間穩定的單光子干涉，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，現有實驗大多仍基于體塊或分立光纖器件，且多數為兩用戶點對點系統。
量子密鑰分發芯片（QKD芯片）是實現量子通信系統小型化、設備實用化和網絡規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、性能持續提升。北京大學團隊在該領域長期深耕，前期已實現多項國際領先成果，包括兩芯片間的量子糾纏分發與量子隱形傳態[Nature Physics 16, 148 (2020)]、多芯片間的高維糾纏量子網絡[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，實驗室團隊持續投入QKD芯片及量子網絡相關研究，經過六年多技術積累與攻關，最終在基于光量子芯片的雙場量子密鑰分發網絡領域取得重要進展，實現了面向多用戶、長距離、大規模量子通信網絡的系統性突破。
圖1 基于光量子芯片的“未名號”大規模量子密鑰分發網絡：a，雙場量子密鑰分發芯片網絡架構。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點處的單光子干涉獲得。研究團隊采用波分復用技術構建大規模量子通信網絡，使各網絡用戶能并行發送量子信號。信號經長距離光纖傳輸至中心服務器節點后，完成解復用、干涉與單光子探測，從而提取安全密鑰。傳統基于分立光學器件的多波長、多用戶系統架構極為復雜，而集成光子技術為實現系統小型化與高穩定性提供了可行路徑。本工作中，研究團隊在中心服務器節點采用高品質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或桌面級激光器。該頻率梳的梳狀譜線經下行光纖分發至各用戶節點并完成解復用。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、調制器、衰減器、密鑰編碼與解碼器件等全部關鍵功能模塊，實現了晶圓級制造、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，系統基于弱相干態完成量子態編碼，編碼后的信號經上行光纖發送至服務器端，最終實現單光子干涉與測量。完整的網絡架構如圖1所示。
圖2 集成光量子芯片關鍵性能表征。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用戶發送端芯片。e，用戶端本地片上激光器的波長調諧范圍。f，用戶端片上調制器半波電壓與調制深度。
圖2系統展示了微腔光梳芯片與QKD發送芯片的關鍵性能。如圖2a–c所示，自注入鎖定在產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，展現出優異的相干性，并可穩定連續運行超過12小時。圖2d給出了用戶端磷化銦QKD發送芯片的結構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個相位調制器（構成60個強度調制器）測試結果顯示，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%。值得強調的是，該研究還證明了微腔光梳芯片與QKD發送芯片在晶圓級工藝下表現出高度一致性與高良率，表明該技術路線具備低成本規模化制造潛力，對構建大規模量子通信網絡具有關鍵意義。
