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，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(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》。該成果標(biāo)志著我國(guó)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)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(xué)微腔光頻梳光源芯片?；谶@兩款芯片，團(tuán)隊(duì)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，兩兩通信距離達(dá)到370公里，突破了無中繼傳輸?shù)慕缦?，組網(wǎng)能力（客戶端對(duì)數(shù)×通信距離）達(dá)到3700公里，在芯片用戶規(guī)模和組網(wǎng)能力上均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

量子密鑰分發(fā)是利用量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)理論上無條件安全通信的技術(shù)。我國(guó)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(xiàng)重大成果，處于全球領(lǐng)先地位。其中，雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）因其兼具測(cè)量設(shè)備無關(guān)的安全性和超長(zhǎng)距離傳輸優(yōu)勢(shì)，被視為實(shí)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(dǎo)單光子探測(cè)資源于中心節(jié)點(diǎn)，大幅降低用戶端成本。

然而，TF-QKD的實(shí)現(xiàn)面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)遠(yuǎn)程獨(dú)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?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)大多基于體塊或分立光纖器件，且多為兩用戶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，難以滿足大規(guī)模組網(wǎng)需求。

北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些難題，通過長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)，成功實(shí)現(xiàn)了基于集成光量子芯片的量子網(wǎng)絡(luò)。研究團(tuán)隊(duì)在芯片設(shè)計(jì)、制造和集成方面取得多項(xiàng)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(zhǎng)調(diào)諧范圍和調(diào)制性能等關(guān)鍵指標(biāo)上均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域持續(xù)探索。北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域深耕多年，此前已實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)國(guó)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(gè)發(fā)表于《自然》或《科學(xué)》正刊的成果，具有里程碑意義。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)、北京市自然科學(xué)基金等多項(xiàng)資助，并獲得北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京量子信息科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)的大力支持。研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)量子通信技術(shù)向?qū)嵱没⒁?guī)?；较虬l(fā)展。