北京大學(xué)物理學(xué)院與電子學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)近日取得重大突破，在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表了關(guān)于大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)的研究成果。這項(xiàng)名為“基于集成光量子芯片的大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)”的研究，首次實(shí)現(xiàn)了基于量子密鑰分發(fā)芯片（QKD芯片）的量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，標(biāo)志著量子通信技術(shù)向?qū)嵱没⒁?guī)模化邁出了關(guān)鍵一步。

研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出全功能集成的高性能量子密鑰發(fā)送芯片和光學(xué)微腔光頻梳光源芯片，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了全球首個(gè)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)”。該網(wǎng)絡(luò)支持20個(gè)芯片用戶同時(shí)進(jìn)行通信，兩兩用戶之間的通信距離達(dá)到370公里，突破了無中繼傳輸?shù)慕缦蓿M網(wǎng)能力（客戶端對數(shù)×通信距離）達(dá)到3700公里，在用戶規(guī)模和組網(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，能夠?qū)崿F(xiàn)理論上無條件安全的通信。我國在量子衛(wèi)星密鑰分發(fā)和天地一體化量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已取得一系列重大成果，處于全球領(lǐng)先地位。其中，雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）因其兼具測量設(shè)備無關(guān)的安全性和超長距離傳輸優(yōu)勢，被視為實(shí)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(shí)現(xiàn)高度依賴遠(yuǎn)程獨(dú)立激光源之間穩(wěn)定的單光子干涉，對光源噪聲抑制和全局相位的高精度鎖定與追蹤提出了極高要求，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)大多仍基于體塊或分立光纖器件，且多數(shù)為兩用戶點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)。

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域長期深耕，此前已實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)國際領(lǐng)先成果，包括兩芯片間的量子糾纏分發(fā)與量子隱形傳態(tài)、多芯片間的高維糾纏量子網(wǎng)絡(luò)，以及適用于空間光量子通信的渦旋光糾纏芯片等。此次研究在國際上首次實(shí)現(xiàn)了基于QKD芯片的量子網(wǎng)絡(luò)，也是自2004年QKD芯片概念提出以來，首個(gè)發(fā)表于《自然》或《科學(xué)》正刊的該領(lǐng)域研究成果。

研究團(tuán)隊(duì)表示，基于光量子芯片的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)有望在規(guī)模、通信距離、系統(tǒng)功能與集成度等方面持續(xù)提升。通過進(jìn)一步發(fā)展晶圓級(jí)先進(jìn)異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)，服務(wù)器端有望集成單光子探測、頻率轉(zhuǎn)換及線性光學(xué)處理等多種功能模塊，從而顯著增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的整體連通性、可重構(gòu)性與可擴(kuò)展性。北京大學(xué)集成量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室除在量子網(wǎng)絡(luò)方向開展研究外，也長期致力于光量子計(jì)算與量子模擬等相關(guān)領(lǐng)域。