北京大學物理學院與電子學院的研究團隊近日取得重大突破，其聯(lián)合研發(fā)的基于集成光量子芯片的大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)成果發(fā)表于國際頂級學術(shù)期刊《自然》。該成果標志著我國在量子通信領(lǐng)域再次走在世界前列，為構(gòu)建安全、高效、大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實基礎(chǔ)。

研究團隊成功開發(fā)出兩款核心芯片：全功能集成的高性能量子密鑰發(fā)送芯片與光學微腔光頻梳光源芯片。基于這兩款芯片，團隊構(gòu)建了全球首個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個芯片用戶同時進行通信，兩兩通信距離達到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）達到3700公里，在芯片用戶規(guī)模和組網(wǎng)能力上均達到國際領(lǐng)先水平。

量子密鑰分發(fā)是利用量子力學原理實現(xiàn)理論上無條件安全通信的技術(shù)。我國在量子衛(wèi)星密鑰分發(fā)及天地一體化量子網(wǎng)絡(luò)方面已取得多項重大成果，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，被視為實現(xiàn)規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)的重要方案。該協(xié)議天然適用于星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可集中配置昂貴的超導單光子探測資源于中心節(jié)點，大幅降低用戶端成本。

然而，TF-QKD的實現(xiàn)面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是對遠程獨立激光源之間穩(wěn)定的單光子干涉要求極高，需要精確抑制光源噪聲并鎖定與追蹤全局相位。現(xiàn)有實驗大多基于體塊或分立光纖器件，且多為兩用戶點對點系統(tǒng)，難以滿足大規(guī)模組網(wǎng)需求。

北京大學團隊針對這些難題，通過長期技術(shù)攻關(guān)，成功實現(xiàn)了基于集成光量子芯片的量子網(wǎng)絡(luò)。研究團隊在芯片設(shè)計、制造和集成方面取得多項創(chuàng)新，包括開發(fā)出高性能的氮化硅微腔光頻梳種子激光光源芯片和全集成的磷化銦QKD用戶發(fā)送端芯片。這些芯片在頻率噪聲抑制、波長調(diào)諧范圍和調(diào)制性能等關(guān)鍵指標上均達到國際先進水平。

自2004年日本NTT首次提出集成量子密鑰分發(fā)芯片概念以來，全球科研團隊在該領(lǐng)域持續(xù)探索。北京大學團隊在該領(lǐng)域深耕多年，此前已實現(xiàn)多項國際領(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。本次發(fā)表在《自然》的研究成果，是該領(lǐng)域首個發(fā)表于《自然》或《科學》正刊的成果，具有里程碑意義。

該研究得到了國家自然科學基金、“量子通信與量子計算機”國家科技重大專項、北京市自然科學基金等多項資助，并獲得北京大學人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室、北京量子信息科學研究院等機構(gòu)的大力支持。研究團隊表示，未來將繼續(xù)優(yōu)化芯片性能，提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和通信距離，推動量子通信技術(shù)向?qū)嵱没⒁?guī)模化方向發(fā)展。