我国科学家构建全球首个集成光量子芯片网络 量子通信实用化迈出关键一步

(问题)信息安全需求持续增长,传统密码体系在算力快速提升、算法攻击手段演进的背景下面临更高挑战;以量子密钥分发为代表的量子安全通信,被认为是构建高等级保密通信的重要技术路径之一。如何把实验室条件下的量子密钥分发,推进到可部署、可扩展、可维护的网络化系统,是国际学界长期攻关的难点。 (原因)以双场量子密钥分发(TF-QKD)为例,其兼具测量设备无关的安全优势与远距离传输潜力,我国此前已在光纤中实现千公里级点对点密钥分发。然而,TF-QKD对远端独立光源之间的单光子干涉稳定性提出极高要求:既要压低光源噪声,又要对全局相位进行高精度锁定与追踪,系统任何微小漂移都可能显著影响干涉可见度和密钥生成效率。过去不少方案依赖体块光学器件或分立光纤器件,设备规模大、调试复杂、环境敏感,且多停留在少数用户的点对点演示,难以支撑多用户并发与大范围组网。 (影响)针对上述瓶颈,北京大学团队以“芯片化集成”为主线,研制两款核心芯片,并在此基础上构建全球首个基于集成光量子芯片的大规模量子密钥分发网络“未名量子芯网”。其中,服务器端光学微腔光频梳光源芯片可输出超低噪声相干光源,为网络提供统一的“频率基准”,强化多用户间同步与一致性;用户端量子密钥发送芯片则将激光、调制、密钥编解码等关键功能集成为一体,面向网络应用显著降低系统复杂度与部署门槛。依托芯片化平台,该网络支持20个芯片用户同时并行通信,任意两用户间最远通信距离可达370公里;同时在无中继条件下实现3700公里的组网能力,突破了以往用户数量有限、距离受限、设备繁复等制约,为量子通信从“可实现”走向“可用、可扩展”提供了关键样板。 (对策)业内人士指出,量子通信走向规模化,不能仅靠单点指标提升,更需要工程化体系支撑:一是以统一频率与相位参考提高网络协同能力,降低多用户干涉带来的系统不确定性;二是以高集成度芯片实现标准化、模块化,推动设备小型化与运维简化;三是以晶圆级工艺提升一致性与良率,形成可复制的制造与测试流程,进而摊薄成本。此次成果显示,团队芯片在晶圆级制备中具备较高均一性与良率,为后续批量制造与规模部署提供了现实基础。涉及的论文发表于《自然》,审稿意见认为该工作在量子芯片与量子网络方向实现重要推进,展示出显著的规模扩展潜力。 (前景)面向未来,量子安全通信的竞争焦点将从单链路性能转向“网络能力、工程能力与产业能力”的综合比拼。随着芯片化方案更成熟,量子密钥分发有望更好融入现有光纤通信基础设施,在政务、金融、能源等对安全等级要求高的场景加快落地。同时,研究团队提出将推动量子通信芯片网络与量子计算芯片的融合研究,若能在接口标准、同步机制、集成工艺等形成体系化突破,将有望促进集成化量子信息技术平台建设,为我国在量子信息领域的持续创新与应用拓展夯实基础。

从实验室原理验证到大规模网络构建,从分立器件到芯片化集成,我国量子通信技术正在经历从量变到质变的关键跨越。这个成果不仅展现了我国科研人员在前沿科技领域的创新实力,更为保障未来信息安全、构建新型网络基础设施提供了重要技术储备。随着量子通信技术持续走向成熟,一个更加安全、高效的信息时代正在加速到来。