L'équipe de recherche de l'Université de Pékin a construit le premier réseau de puces de communication quantique à grande échelle

L’École de Physique de l’Université de Pékin a annoncé le 12 février que l’équipe du Professeur Wang Jianwei et du Professeur Gong Qihuang du Institut de la Optique Moderne, ainsi que l’équipe du Chercheur Chang Lin de l’École d’Électronique, ont publié dans la revue académique de renommée mondiale « Nature » une avancée révolutionnaire intitulée « Réseau de communication quantique à grande échelle basé sur une puce quantique optique intégrée ».

L’équipe de recherche a réussi à développer une puce de distribution de clés quantiques à haute performance, entièrement intégrée, ainsi qu’une puce source de fréquence optique micro-cavité à micro-ruban, et sur cette base, a construit le premier réseau mondial de distribution de clés quantiques à grande échelle basé sur une puce quantique intégrée — le « Réseau Quantique WeiMing ». Ce réseau quantique supporte la communication parallèle de 20 utilisateurs de puces, avec une distance de communication entre deux pairs atteignant 370 kilomètres, dépassant la limite sans relais, et une capacité de mise en réseau (nombre de clients × distance de communication) atteignant 3700 kilomètres, ce qui est à la pointe mondiale en termes de nombre d’utilisateurs et de capacité de réseau.

Les recherches ont également confirmé la supériorité des matériaux à base de phosphure d’indium et de nitrure de silicium dans la fabrication de puces quantiques optiques, caractérisées par un taux de fabrication élevé à l’échelle de la plaquette, de hautes performances et une forte extensibilité, posant ainsi une base technologique pour une production à faible coût et à grande échelle. Cette avancée fournit une solution solide au niveau de la puce pour la construction future de réseaux de communication quantique sécurisés, couvrant de plus longues distances, accueillant davantage d’utilisateurs et supportant une échelle plus grande.

La distribution de clés quantiques repose sur les principes de la mécanique quantique, permettant une communication théoriquement invulnérable. La Chine a déjà réalisé une série de résultats majeurs dans la distribution de clés par satellite quantique et dans le réseau quantique intégré terrestre-satellitaire, se positionnant en leader mondial. Parmi eux, la distribution de clés quantiques à double champ (TF-QKD) combine une sécurité indépendante de l’équipement de mesure et un avantage de transmission sur de très longues distances. Nos scientifiques ont déjà réalisé une distribution de clés par fibre optique sur plusieurs milliers de kilomètres. Ce protocole, naturellement adapté à une architecture en étoile, permet de centraliser les ressources coûteuses de détection de photons uniques dans un nœud central, réduisant considérablement le coût pour les utilisateurs finaux, et est considéré comme une solution clé pour la mise en place de réseaux de communication quantique à grande échelle. Cependant, la réalisation du TF-QKD dépend fortement de la stabilité de l’interférence entre sources laser indépendantes distantes, exigeant une suppression du bruit des sources lumineuses et un verrouillage précis de la phase globale, ce qui impose des exigences très strictes. La plupart des expériences actuelles utilisent encore des dispositifs optiques discrets ou en bloc, souvent en système point-à-point entre deux utilisateurs.

Les puces de distribution de clés quantiques (QKD) constituent une voie essentielle pour miniaturiser, rendre pratique et étendre à grande échelle les systèmes de communication quantique. Depuis que NTT au Japon a proposé en 2004 le concept de puce QKD intégrée, les fonctionnalités et performances de ces puces n’ont cessé de s’améliorer au cours des vingt dernières années. Notre équipe de l’Université de Pékin, engagée depuis longtemps dans ce domaine, a déjà réalisé plusieurs avancées internationales, notamment la distribution d’intrication quantique et la téléportation quantique entre deux puces [Nature Physics 16, 148 (2020)], un réseau quantique à haute dimension entre plusieurs puces [Science 381, 221 (2023)] et une puce d’intrication de vortex pour la communication quantique spatiale [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. Depuis 2019, notre laboratoire a poursuivi ses recherches sur les puces QKD et les réseaux quantiques, accumulant plus de six ans d’expérience et de progrès techniques, aboutissant à une avancée significative dans le domaine des réseaux de distribution de clés quantiques à double champ basés sur des puces optiques, permettant une percée systémique pour des réseaux de communication quantique multi-utilisateurs, longue distance et à grande échelle.

Figure 1 Réseau de distribution de clés quantiques à grande échelle basé sur la puce quantique optique « WeiMing » : a, architecture du réseau de puces QKD à double champ. b, photo réelle de 20 puces QKD et de la puce source micro-ruban.

Dans une application typique du TF-QKD, il est nécessaire de distribuer des références de fréquence et de phase entre chaque utilisateur pour établir la cohérence entre lasers indépendants distants, et la clé sécurisée est obtenue via une interférence de photons uniques dans des nœuds non fiables. Notre équipe a utilisé la technologie de multiplexage en longueur d’onde pour construire un réseau quantique à grande échelle, permettant à chaque utilisateur de transmettre simultanément des signaux quantiques. Après transmission sur de longues fibres optiques vers un nœud serveur central, le signal est dé-multiplié, interfère et détecté par photon unique, permettant d’extraire la clé sécurisée. Les architectures traditionnelles utilisant des dispositifs optiques discrets pour plusieurs longueurs d’onde et plusieurs utilisateurs sont très complexes, mais la technologie photonique intégrée offre une voie réalisable pour miniaturiser le système et améliorer sa stabilité. Dans ce travail, notre équipe a utilisé un micro-cavité en nitrure de silicium à facteur de qualité élevé comme source de fréquence de la graine, en mode auto-injection pour générer un spectre de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence de fréquence 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