一張“量子網(wǎng)”，連通370公里

量子密鑰分發(fā)（QKD）被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)“絕對(duì)安全通信”的核心技術(shù)。然而，如何在長(zhǎng)距離條件下，同時(shí)支持大量用戶接入，一直是量子通信領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的難題之一。傳統(tǒng)的可信中繼網(wǎng)絡(luò)存在安全隱患，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)難以擴(kuò)展，多波長(zhǎng)糾纏網(wǎng)絡(luò)距離受限，而量子中繼技術(shù)尚未成熟。近年來，雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）在理論上突破了無中繼通信距離極限，但如何構(gòu)建真正“可規(guī)?；钡牧孔泳W(wǎng)絡(luò)，仍缺少系統(tǒng)級(jí)解決方案。

在此，北京大學(xué)王劍威教授、鄭赟博士和常林研究員首次實(shí)現(xiàn)基于集成光子芯片的大規(guī)模TF-QKD網(wǎng)絡(luò)原理驗(yàn)證。該系統(tǒng)集成20個(gè)獨(dú)立量子密鑰發(fā)射芯片，在370公里光纖距離下全部超越無中繼極限，總網(wǎng)絡(luò)能力達(dá)到3,700公里，標(biāo)志著量子通信從“單鏈路突破”邁向“規(guī)模化組網(wǎng)”的關(guān)鍵一步。相關(guān)成果以“Large-scale quantum communication networks with integrated photonics”為題發(fā)表在《Nature》上，鄭赟, Hanyu Wang, Xinyu Jia, Jiahui Huang, Huihong Yuan為共同第一作者。

構(gòu)建真正可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)

論文首先從整體架構(gòu)出發(fā)，展示了面向未來的多用戶量子通信網(wǎng)絡(luò)藍(lán)圖（圖1a）。不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)依賴可信中繼節(jié)點(diǎn)，這種基于雙場(chǎng)協(xié)議的結(jié)構(gòu)采用“星型拓?fù)洹?，所有用戶連接到一個(gè)不可信中央節(jié)點(diǎn)，通過單光子干涉實(shí)現(xiàn)密鑰生成。這種架構(gòu)既保留了測(cè)量設(shè)備無關(guān)（MDI）的安全優(yōu)勢(shì)，又顯著提升了通信距離。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出“未名量子芯片網(wǎng)絡(luò)”概念（圖1b）。核心在于一個(gè)服務(wù)器端集成光學(xué)微梳芯片，配合20個(gè)用戶側(cè)量子發(fā)射芯片。微梳芯片產(chǎn)生大量相干、超低噪聲的頻率梳線，為所有客戶端提供統(tǒng)一頻率參考；每個(gè)客戶端芯片則獨(dú)立完成相位編碼與量子信號(hào)發(fā)射。圖1c展示了實(shí)際使用的芯片實(shí)物照片：中央為氮化硅微梳芯片，周圍是從3英寸InP晶圓上隨機(jī)選取的20個(gè)量子發(fā)射芯片。值得強(qiáng)調(diào)的是，這些芯片并非“挑選優(yōu)等品”，而是隨機(jī)抽取即可全部工作，充分體現(xiàn)了晶圓級(jí)可制造性。

圖1：集成光子TF-QKD網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)與芯片實(shí)物展示。

微梳芯片：為全網(wǎng)提供“相干心臟”

要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模TF-QKD，最關(guān)鍵的問題之一是獲得大量線寬達(dá)Hz級(jí)的超低噪聲激光源。團(tuán)隊(duì)通過將分布反饋（DFB）激光器與超高Q值氮化硅微環(huán)諧振腔耦合，實(shí)現(xiàn)自注入鎖定，成功生成暗脈沖微梳（圖2a,b）。圖2c顯示，微腔本征Q值平均高達(dá)2,000萬，模式間隔約30 GHz。圖2d呈現(xiàn)出平頂多通道頻譜，可同時(shí)提供多條高質(zhì)量梳線。更重要的是穩(wěn)定性。圖2e記錄了連續(xù)12小時(shí)運(yùn)行下的輸出強(qiáng)度波動(dòng)，幾乎保持恒定；圖2f則給出頻率噪聲測(cè)試結(jié)果，相比自由運(yùn)行激光器噪聲降低超過25 dB，白噪聲底約13 Hz2/Hz，對(duì)應(yīng)短時(shí)線寬約40 Hz，為TF-QKD提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在用戶端，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了單片集成InP量子發(fā)射芯片（圖2h）。每個(gè)芯片集成兩臺(tái)激光器、相位調(diào)制器、強(qiáng)度調(diào)制器和可變衰減器，面積僅4.6×2 mm2。通過注入鎖定技術(shù)，原本MHz級(jí)線寬的片上激光器被鎖定到微梳梳線上，實(shí)現(xiàn)Hz級(jí)線寬輸出（圖2g,i）。圖2j顯示，鎖定后的激光器可在多個(gè)波長(zhǎng)間連續(xù)調(diào)諧，邊模抑制比超過30 dB。在20個(gè)芯片中，120個(gè)電光調(diào)制器中僅3個(gè)存在硬件失效（圖2k），整體良率高達(dá)97.5%。這意味著真正實(shí)現(xiàn)了“可復(fù)制的量子芯片制造”，為未來規(guī)模擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。

圖2：服務(wù)器端微梳芯片與客戶端InP量子發(fā)射芯片的結(jié)構(gòu)與性能表征。

TF-QKD的核心在于超穩(wěn)定單光子干涉。圖3a展示了完整實(shí)驗(yàn)流程，包括初始化、編碼與檢測(cè)階段。在370公里光纖（185+185 km）條件下，團(tuán)隊(duì)測(cè)試了10組用戶對(duì)。圖3b、3c顯示參考光與量子光相位在秒級(jí)內(nèi)劇烈波動(dòng)（超過2π），主要來自信道噪聲；但圖3d給出的相位差?d波動(dòng)明顯更緩慢，說明激光噪聲已被有效抑制。圖3f,g進(jìn)一步比較短下行鏈路與120公里長(zhǎng)下行鏈路的相位漂移速率。即便在長(zhǎng)鏈路情況下，通過調(diào)整校正周期，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行。最終實(shí)現(xiàn)：20個(gè)用戶、370公里距離，總網(wǎng)絡(luò)能力NL/2=3,700 km。

圖3：雙波長(zhǎng)相位跟蹤機(jī)制及370公里光纖下的相位穩(wěn)定性測(cè)試。

全部鏈路超越無中繼極限！

在204公里條件下，X基誤碼率維持在2.87–3.63%（圖4a,c）；在370公里時(shí)為3.50–4.17%（圖4b,d），均處于可接受范圍。最令人振奮的是圖4f：在370公里下，所有20個(gè)芯片鏈路均成功超越PLOB無中繼極限，密鑰率提升最高達(dá)251.4%。這意味著該網(wǎng)絡(luò)真正突破了傳統(tǒng)量子通信的物理上限。

圖4：20個(gè)量子芯片在204 km與370 km下的誤碼率與安全密鑰率表現(xiàn)。

小結(jié)

這項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了基于集成光子芯片的多用戶TF-QKD網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證了大規(guī)模量子通信的系統(tǒng)級(jí)可行性。通過微梳提供統(tǒng)一相干源、InP芯片實(shí)現(xiàn)可復(fù)制發(fā)射終端、雙波長(zhǎng)跟蹤保證長(zhǎng)距離穩(wěn)定干涉，團(tuán)隊(duì)成功搭建了真正“可規(guī)?；钡牧孔泳W(wǎng)絡(luò)原型。未來，通過拓展微梳帶寬、提升SNSPD性能與優(yōu)化協(xié)議，單鏈路距離有望突破1,000公里，用戶數(shù)量可擴(kuò)展至上百級(jí)別。同時(shí)，該系統(tǒng)天然兼容現(xiàn)有WDM光通信基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)典-量子融合網(wǎng)絡(luò)鋪平道路。量子互聯(lián)網(wǎng)不再只是愿景——它正在走向工程化。