北京大學(xué)物理學(xué)院與電子學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在量子通信領(lǐng)域取得重大突破，相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》。由王劍威教授、龔旗煌教授及常林研究員領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，成功研制出全球首個(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)”，實(shí)現(xiàn)了多用戶、長(zhǎng)距離、高安全性的量子通信系統(tǒng)。

該網(wǎng)絡(luò)的核心是團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的兩款高性能芯片：全功能集成的量子密鑰發(fā)送芯片與光學(xué)微腔光頻梳光源芯片。前者采用磷化銦材料，單片集成了激光器、調(diào)制器、衰減器等關(guān)鍵模塊，支持晶圓級(jí)制造，良率高達(dá)97.5%；后者基于氮化硅微腔，通過(guò)自注入鎖定技術(shù)產(chǎn)生超低噪聲相干暗脈沖頻率梳，線寬僅40赫茲，可穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)12小時(shí)。這一組合使系統(tǒng)支持20個(gè)用戶并行通信，兩兩通信距離達(dá)370公里，組網(wǎng)能力（客戶端對(duì)數(shù)×通信距離）突破3700公里，刷新了無(wú)中繼量子通信的世界紀(jì)錄。

研究團(tuán)隊(duì)采用波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以光頻梳作為頻率與相位基準(zhǔn)，通過(guò)下行光纖分發(fā)至各用戶節(jié)點(diǎn)。用戶端芯片利用種子光注入鎖定本地激光器，顯著抑制相位噪聲后完成量子態(tài)編碼，信號(hào)經(jīng)上行光纖返回中心服務(wù)器進(jìn)行干涉與測(cè)量。這一設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)分立器件系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將核心功能集成于芯片級(jí)平臺(tái)，大幅降低了系統(tǒng)成本與功耗。實(shí)驗(yàn)表明，在204公里和370公里上行鏈路條件下，系統(tǒng)誤碼率均低于安全閾值，并在370公里處突破無(wú)中繼線性碼率極限，相對(duì)理論上限提升最高達(dá)251.4%。

技術(shù)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了多波長(zhǎng)共纖傳輸?shù)脑肼曈绊懀ㄟ^(guò)優(yōu)化濾波方案將線性串?dāng)_與非線性拉曼噪聲壓低至接近探測(cè)器暗計(jì)數(shù)水平。在長(zhǎng)達(dá)490公里的閉環(huán)光纖馬赫-曾德爾干涉儀測(cè)試中，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定追蹤相位變化并實(shí)現(xiàn)安全成碼，證明了方案在實(shí)際量子網(wǎng)絡(luò)中的可行性。磷化銦與氮化硅材料體系展現(xiàn)出晶圓級(jí)加工的高一致性，為低成本規(guī)模化制造奠定了工藝基礎(chǔ)。

量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)不可克隆定理，可實(shí)現(xiàn)理論上無(wú)條件安全的通信。我國(guó)此前已在量子衛(wèi)星與天地一體化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域取得領(lǐng)先，但規(guī)模化組網(wǎng)仍面臨光源穩(wěn)定性、相位鎖定精度等挑戰(zhàn)。此次突破將雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）協(xié)議與集成光子技術(shù)深度融合，通過(guò)芯片化解決方案攻克了遠(yuǎn)程獨(dú)立激光源干涉難題，為構(gòu)建覆蓋更廣區(qū)域、容納更多用戶的實(shí)用化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵技術(shù)路徑。