【儀表網 研發快訊】2026年2月11日，物理學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《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》(“Large-scale quantum communication networks with integrated photonics”)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。
 

　　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。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，且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年提出集成量子密鑰分發芯片概念以來，過去20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，包括兩芯片間量子糾纏分發與量子隱形傳態(Nature Physics 2020)、多芯片間量子糾纏網絡(Science 2023)、面向空間光量子通信的渦旋光糾纏芯片(Nature Photonics 2025)。
 

　　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產生線寬達赫茲量級的超低噪聲相干暗脈沖頻率梳，頻率梳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功能模塊，實現了晶圓級制造、高良率、低成本、高性能的QKD芯片解決方案。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。
 

　　圖2系統展示了微腔光梳芯片與QKD發送芯片的關鍵性能。頻梳工作于1550nm通信波段，鎖定后梳齒頻率噪聲功率譜密度的白噪聲基線約為13Hz2Hz-1，對應短時線寬約40Hz，展現出優異的相干性。片上集成分布式布拉格反射器激光器具有調諧范圍，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，干涉消光比超過33dB，其中117個器件性能正常，良率達97.5%。研究團隊進一步搭建了多芯片協同的量子網絡，實現多用戶并行運行發送-不發送TF-QKD協議。系統在204公里和370公里上行鏈路條件下均實現低誤碼率運行，并在370公里處突破無中繼線性碼率極限，相對理論上界提升最高達251.4%。
 

　　北京大學物理學院博士后鄭赟、2022級博士研究生王涵與、博士后賈新宇、電子學院2024級博士研究生黃佳輝、博士后袁慧宏為文章共同第一作者。鄭赟、常林、王劍威為共同通訊作者。主要合作者還包括北京郵電大學特聘研究員石涇波，埃因霍芬理工大學副教授焦雨清，北京大學物理學院教授龔旗煌、李焱，電子學院教授王興軍，浙江大學教授戴道鋅、時堯成，北京量子信息科學研究院首席科學家袁之良等。