El equipo de investigación de la Universidad de Pekín ha construido la primera red de chips de comunicación cuántica a gran escala

La Universidad de Pekín, Facultad de Física, anunció el 12 de febrero que el equipo del Profesor Wang Jianwei y el Profesor Gong Qihuang del Instituto de Óptica Moderna, junto con el equipo del Investigador Chang Lin de la Escuela de Electrónica, publicaron en la revista académica de primer nivel internacional “Nature” un avance revolucionario titulado “Red de comunicación cuántica a gran escala basada en chips cuánticos ópticos integrados”.

El equipo de investigación logró desarrollar un chip de distribución de claves cuánticas de alto rendimiento y totalmente integrado, así como un chip de fuente de frecuencia de microresonador óptico, y en base a esto construyeron la primera red de distribución de claves cuánticas a gran escala basada en chips cuánticos ópticos integrados, denominada “Red Cuántica WeMing”. Esta red soporta 20 usuarios de chips en comunicación paralela, con distancias de comunicación de hasta 370 kilómetros entre pares, rompiendo el límite sin repetidores, y alcanzando una capacidad de red (número de clientes × distancia de comunicación) de 3700 kilómetros, situándose a la vanguardia internacional en tamaño de usuario y capacidad de red.

La investigación también validó aún más la superioridad de los sistemas de materiales basados en fosfuro de indio y nitruro de silicio en la fabricación de chips cuánticos ópticos, caracterizados por alta tasa de rendimiento en fabricación a nivel de oblea, alto rendimiento y fuerte escalabilidad, sentando las bases para la producción a bajo costo y en gran escala. Este avance proporciona una solución sólida a nivel de chip para construir en el futuro redes de comunicación cuántica seguras, de mayor alcance, con más usuarios y de mayor escala.

La distribución de claves cuánticas, basada en principios de la mecánica cuántica, puede lograr una comunicación teóricamente incondicionalmente segura. China ha logrado una serie de importantes avances en la distribución de claves mediante satélites cuánticos y en redes cuánticas integradas entre tierra y espacio, posicionándose a la cabeza del mundo. Entre ellas, la distribución de claves cuánticas de doble campo (TF-QKD) combina seguridad independiente del equipo de medición y ventajas en transmisión de larga distancia. Los científicos chinos han logrado distribuir claves en fibra óptica a kilómetros de distancia punto a punto. Este protocolo es naturalmente adecuado para arquitecturas de red en estrella, permitiendo concentrar recursos costosos de detección de fotones únicos en un nodo central, reduciendo significativamente los costos en los extremos de los usuarios, y se considera una de las soluciones clave para la escalabilidad de redes de comunicación cuántica. Sin embargo, la implementación de TF-QKD depende en gran medida de la estabilidad de la interferencia entre fuentes láser remotas e independientes, exigiendo un control muy preciso del ruido en las fuentes y del bloqueo de fase global, lo que actualmente limita su uso a sistemas basados en componentes discretos o en bloques, en su mayoría sistemas punto a punto entre dos usuarios.

Los chips de distribución de claves cuánticas (QKD) son una vía importante para miniaturizar los sistemas de comunicación cuántica, hacer los dispositivos prácticos y escalar las redes. Desde que en 2004 NTT de Japón propuso por primera vez el concepto de chips integrados de distribución de claves cuánticas, en las últimas dos décadas, las funciones y el rendimiento de estos chips y componentes han mejorado continuamente. El equipo de la Universidad de Pekín ha trabajado en este campo durante mucho tiempo, logrando previamente varios avances líderes internacionales, incluyendo la distribución de entre dos chips de entrelazamiento cuántico y teleportación cuántica [Nature Physics 16, 148 (2020)], redes cuánticas de entrelazamiento de alta dimensión entre múltiples chips [Science 381, 221 (2023)] y chips de entrelazamiento de vórtice para comunicaciones cuánticas espaciales [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. Desde 2019, el laboratorio ha dedicado esfuerzos continuos a la investigación de chips QKD y redes cuánticas, acumulando más de seis años de experiencia técnica y superando obstáculos, logrando avances importantes en redes de distribución de claves cuánticas basadas en chips de fotónica, con aplicaciones en múltiples usuarios, largas distancias y gran escala.

Figura 1 Red de distribución de claves cuánticas a gran escala basada en chips cuánticos ópticos “WeMing”: a, arquitectura de la red de chips QKD de doble campo. b, fotos reales de 20 chips QKD y chips de fuente de microresonador.

En aplicaciones típicas de TF-QKD, es necesario distribuir referencias de frecuencia y fase entre los usuarios para establecer la coherencia entre láseres independientes remotos, y las claves seguras se obtienen mediante interferencia de fotones únicos en nodos no confiables. El equipo de investigación utilizó tecnología de multiplexación por división de longitud de onda para construir una red cuántica a gran escala, permitiendo que los usuarios envíen señales cuánticas en paralelo. Las señales se transmiten a través de fibra óptica de larga distancia al nodo central, donde se realiza la demultiplexación, interferencia y detección de fotones únicos para extraer las claves seguras. La arquitectura tradicional basada en componentes ópticos discretos para múltiples longitudes de onda y múltiples usuarios es muy compleja, mientras que la tecnología fotónica integrada ofrece una vía viable para reducir tamaño y mejorar estabilidad. En este trabajo, el equipo utilizó un microresonador de nitruro de silicio de alta calidad en el nodo central como fuente de frecuencia de microresonador, generando un comb de frecuencia coherente de línea ultra estrecha (ancho de línea en el orden de Hz) mediante auto-inyección y bloqueo, sin necesidad de sistemas electrónicos complejos o láseres de escritorio. Las líneas del comb se distribuyen por fibra óptica a los nodos de usuario, donde se realiza la demultiplexación. Cada usuario cuenta con un chip cuántico de indio fosfuro que integra todos los componentes clave: láser, moduladores, atenuadores, codificadores y decodificadores, logrando una solución de chip de usuario QKD de alta rendimiento, bajo costo y alta tasa de producción a nivel de oblea. La inyección de la fuente de comb de frecuencia en los láseres locales de los usuarios reduce significativamente el ruido de fase. Luego, el sistema codifica los estados cuánticos en modo débil coherente, enviando las señales a través de fibra ascendente al servidor, donde se realiza la interferencia y medición de fotones únicos. La arquitectura completa de la red se muestra en la figura 1.

Figura 2 Caracterización del rendimiento clave de los chips cuánticos integrados. a, Fuente de láser de fuente de comb de frecuencia de microresonador de nitruro de silicio en el servidor. b, Espectro del comb de pulsos oscuros. c, Densidad espectral de potencia del ruido de frecuencia en cada línea del comb. d, Chip de transmisión de claves cuánticas totalmente integrado de indio fosfuro. e, Rango de sintonización de longitud de onda del láser en el chip del usuario. f, Voltaje de medio ciclo del modulador en el usuario y profundidad de modulación.

La figura 2 muestra las principales características de rendimiento del microresonador y del chip de transmisión QKD. Como se observa en las figuras 2a–c, la auto-inyección y bloqueo en la generación del comb de pulsos oscuros suprimen significativamente el ruido de fase. El comb opera en la banda de comunicación de 1550 nm, con un espectro libre de 30 GHz; tras el bloqueo, la densidad espectral de potencia del ruido de línea del comb es aproximadamente 13 Hz^2Hz^-1, con un ancho de línea de aproximadamente 40 Hz, demostrando una coherencia excelente y una operación estable continua por más de 12 horas. La figura 2d muestra el diseño estructural y la foto real del chip de transmisión QKD de indio fosfuro en el extremo del usuario, con un láser de retroreflexión distribuida (DBR) integrado en el chip. El rango de sintonización del láser, como se muestra en la figura 2e, permite que, bajo condiciones de bloqueo por inyección, la frecuencia y fase del láser sean altamente replicables respecto a la fuente de referencia, con ancho de línea similar. Las pruebas en 120 moduladores de fase en 20 chips de usuario muestran un voltaje medio de medio ciclo de aproximadamente 5.8 V y una relación de extinción de interferencia superior a 33 dB, con 117 dispositivos funcionando normalmente y una tasa de rendimiento del 97.5%. Es importante destacar que esta investigación también demostró que los chips de microresonador y los chips de transmisión QKD muestran una alta consistencia y rendimiento en masa a nivel de oblea, indicando que esta tecnología tiene potencial para fabricación en masa de bajo costo y escalable, siendo clave para la construcción de redes de comunicación cuántica a gran escala.

Figura 3 Resultados experimentales de la red de chips QKD para múltiples usuarios. a, b, c, Fluctuaciones de fase en canales de fibra larga. d, e, Tasa de error de bits. f, g, Rendimiento final de codificación de 20 chips QKD.

El equipo también construyó una red cuántica colaborativa de múltiples chips, permitiendo la operación paralela de múltiples usuarios enviando y no enviando protocolos TF-QKD. Mediante la introducción de un esquema de seguimiento de fase en doble longitud de onda, aunque la luz de referencia (figura 3a) y la luz cuántica (figura 3b) experimentan rápidas fluctuaciones de fase en la fibra larga, debido a que ambas viajan por la misma fibra y provienen de comb de frecuencia altamente coherentes, la diferencia de fase relativa entre ellas solo se desplaza lentamente (figura 3c), permitiendo la compensación efectiva de la fase cuántica mediante la monitorización de la luz de referencia. El equipo evaluó el impacto de la interferencia lineal y el ruido Raman no lineal en la transmisión multibanda, y mediante la optimización de filtros redujo el nivel de ruido cercano a los conteos oscuros del detector. Finalmente, el sistema logró operar con bajo error en enlaces ascendentes de 204 km y 370 km, y en 370 km superó el límite de tasa de línea sin repetidores (Límite PLOB), alcanzando una mejora máxima del 251.4% respecto a la cota teórica (figuras 3f, g). Además, en enlaces descendentes más largos (equivalentes a un bucle de fibra de 490 km), el sistema mantuvo una fase estable y logró codificación segura, demostrando la viabilidad del esquema en redes cuánticas reales.

(Procedencia: Caixin)