Tim peneliti Universitas Peking membangun jaringan chip komunikasi kuantum skala besar pertama

Universitas Peking Universitas Fisika mengumumkan pada 12 Februari bahwa tim Profesor Wang Jianwei dan Profesor Gong Qihuang dari Institut Optik Modern serta tim Peneliti Chang Lin dari Fakultas Elektronik telah mempublikasikan hasil penelitian terobosan berjudul “Jaringan komunikasi kuantum skala besar berbasis chip kuantum optik terintegrasi” di jurnal akademik top dunia Nature.

Tim peneliti berhasil mengembangkan chip pengirim kunci kuantum berperforma tinggi yang terintegrasi secara lengkap dan chip sumber frekuensi cahaya microresonator optik yang mampu menghasilkan kunci kuantum dan sumber frekuensi cahaya yang sangat stabil. Berdasarkan inovasi ini, mereka membangun jaringan distribusi kunci kuantum skala besar pertama di dunia berbasis chip kuantum optik terintegrasi—yang disebut “Jaringan Kuantum Weiming”. Jaringan kuantum ini mendukung komunikasi paralel dengan 20 pengguna chip, jarak komunikasi antar dua pengguna mencapai 370 km, dan melampaui batas tanpa repeater, dengan kapasitas jaringan (jumlah klien × jarak komunikasi) mencapai 3700 km, menempatkan posisi terdepan secara internasional baik dari segi jumlah pengguna chip maupun kapasitas jaringan.

Penelitian ini juga lebih jauh memvalidasi keunggulan sistem material berbasis indium phosphide dan silikon nitride dalam pembuatan chip kuantum optik, yang memiliki tingkat keberhasilan proses wafer tinggi, performa tinggi, dan skalabilitas kuat, sehingga menjadi dasar proses untuk produksi massal berbiaya rendah. Terobosan ini menyediakan solusi chip-level yang kokoh untuk pembangunan jaringan komunikasi kuantum rahasia yang mampu menjangkau jarak lebih jauh, menampung lebih banyak pengguna, dan mendukung skala besar.

Distribusi kunci kuantum didasarkan pada prinsip mekanika kuantum dan dapat mewujudkan komunikasi yang secara teori tak terbatas keamanannya. China telah meraih sejumlah pencapaian penting dalam distribusi kunci kuantum melalui satelit dan jaringan kuantum terintegrasi antara bumi dan luar angkasa, menempatkan diri di posisi terdepan global. Di antaranya, distribusi kunci kuantum dengan dua jalur (TF-QKD) yang menggabungkan keamanan tanpa ketergantungan pada perangkat pengukuran dan keunggulan jarak transmisi yang sangat panjang. Para ilmuwan China telah berhasil melakukan distribusi kunci kuantum titik-ke-titik hingga ribuan kilometer melalui serat optik. Protocol ini secara alami cocok untuk arsitektur jaringan bintang, memungkinkan pengaturan sumber laser superkonduktor yang mahal di pusat, sehingga secara signifikan menurunkan biaya pengguna di ujung jaringan, dan dianggap sebagai salah satu solusi penting untuk mewujudkan jaringan komunikasi kuantum skala besar. Namun, implementasi TF-QKD sangat bergantung pada kestabilan interferensi satu foton antara sumber laser jarak jauh yang independen, menuntut pengendalian noise sumber cahaya dan fase global dengan tingkat presisi tinggi. Sebagian besar eksperimen saat ini masih berbasis perangkat optik diskrit atau blok, dan sebagian besar merupakan sistem titik-ke-titik antara dua pengguna.

Chip distribusi kunci kuantum (QKD) adalah salah satu jalur penting untuk mewujudkan sistem komunikasi kuantum yang miniatur, praktis, dan berskala jaringan. Sejak NTT Jepang pertama kali mengusulkan konsep chip distribusi kunci kuantum terintegrasi pada tahun 2004, selama dua dekade terakhir, fungsi chip dan perangkat QKD terus berkembang dan meningkat. Tim Universitas Peking telah lama berkecimpung di bidang ini dan telah mencapai berbagai hasil terdepan secara internasional, termasuk distribusi entanglement kuantum antar dua chip dan teleportasi kuantum [Nature Physics 16, 148 (2020)], jaringan kuantum entanglement berdimensi tinggi antar banyak chip [Science 381, 221 (2023)], serta chip entanglement vortex untuk komunikasi kuantum ruang angkasa [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. Sejak 2019, tim laboratorium ini terus melakukan penelitian terkait chip QKD dan jaringan kuantum, dan setelah lebih dari enam tahun pengembangan dan penelitian, mereka akhirnya mencapai kemajuan penting dalam jaringan distribusi kunci kuantum berbasis chip kuantum optik yang mampu melayani banyak pengguna, jarak jauh, dan skala besar, serta melakukan terobosan sistemik dalam bidang ini.

Gambar 1 menunjukkan jaringan distribusi kunci kuantum skala besar berbasis chip kuantum optik “Weiming”: a, arsitektur jaringan chip distribusi kunci kuantum dua jalur. b, foto nyata 20 chip QKD dan chip sumber microresonator.

Dalam aplikasi TF-QKD yang umum, diperlukan distribusi referensi frekuensi dan fase antar pengguna untuk membangun koherensi antara laser independen jarak jauh, dan kunci rahasia diperoleh melalui interferensi satu foton di node yang tidak dipercaya. Tim peneliti menggunakan teknologi multiplexing gelombang untuk membangun jaringan komunikasi kuantum skala besar, memungkinkan pengguna jaringan mengirim sinyal kuantum secara paralel. Sinyal ini kemudian ditransmisikan melalui serat optik jarak jauh ke node server pusat, di mana dilakukan demultiplexing, interferensi, dan deteksi satu foton untuk mengekstrak kunci rahasia. Arsitektur sistem tradisional berbasis perangkat optik diskrit sangat kompleks, sementara teknologi fotonik terintegrasi menawarkan jalur yang memungkinkan miniaturisasi dan stabilitas tinggi. Dalam pekerjaan ini, tim menggunakan microresonator silikon nitride berkualitas tinggi sebagai sumber frekuensi cahaya yang di-lock secara otomatis di node server pusat, menghasilkan frequency comb dengan lebar garis hingga terahertz tanpa perlu sistem kontrol elektronik rumit atau laser meja. Spektrum comb ini didistribusikan ke setiap node pengguna melalui serat bawah tanah dan dilakukan demultiplexing. Di sisi pengguna, digunakan 20 chip kuantum indium phosphide yang terintegrasi lengkap, termasuk laser, modulator, attenuator, serta perangkat pengkodean dan decoding kunci, sehingga menghasilkan solusi chip pengguna QKD dengan proses wafer, tingkat keberhasilan tinggi, biaya rendah, dan performa tinggi. Dengan menggunakan seed laser dari frequency comb untuk mengunci laser lokal pengguna, noise fase secara signifikan ditekan. Selanjutnya, sistem melakukan pengkodean keadaan kuantum berbasis keadaan koheren lemah, dan sinyal yang dikodekan dikirim ke server melalui serat uplink, kemudian dilakukan interferensi dan pengukuran satu foton. Arsitektur jaringan lengkap ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 2 menunjukkan karakterisasi performa utama chip microresonator dan chip pengirim QKD terintegrasi. a, sumber laser seed microresonator silikon nitride di sisi server. b, spektrum comb cahaya gelap. c, spektrum daya noise frekuensi setiap garis comb. d, chip pengirim QKD lengkap terintegrasi indium phosphide. e, rentang tuning panjang gelombang laser lokal di sisi pengguna. f, tegangan setengah gelombang dan kedalaman modulasi pada modulators pengguna.

Gambar 2 menampilkan performa utama dari chip microresonator dan chip pengirim QKD. Seperti terlihat di a–c, penguncian otomatis secara bersamaan menekan noise fase saat menghasilkan frequency comb cahaya gelap. Comb ini beroperasi di pita komunikasi 1550 nm, dengan rentang spektrum bebas sekitar 30 GHz; setelah penguncian, spektrum noise garis comb mencapai sekitar 13 Hz^2Hz-1, dengan lebar garis sekitar 40 Hz, menunjukkan koherensi yang sangat baik dan mampu berjalan stabil lebih dari 12 jam. Gambar 2d menunjukkan desain struktur dan foto nyata chip pengirim QKD indium phosphide di sisi pengguna setelah kemasan listrik. Rentang tuning laser distributed Bragg reflector (DBR) di chip ini, seperti ditunjukkan di e, mampu menyesuaikan frekuensi dan fase untuk meniru seed laser secara tinggi. Pengujian 120 modulasi fase di 20 chip pengguna menunjukkan tegangan setengah gelombang rata-rata sekitar 5,8 V dan rasio interferensi extinction lebih dari 33 dB, dengan 117 perangkat berfungsi normal dan tingkat keberhasilan mencapai 97,5%. Penting untuk dicatat bahwa penelitian ini juga menunjukkan bahwa chip microresonator dan chip pengirim QKD menunjukkan konsistensi dan tingkat keberhasilan tinggi secara wafer-level, menandakan potensi produksi massal berbiaya rendah dan kunci untuk pembangunan jaringan komunikasi kuantum skala besar.

Gambar 3 menampilkan hasil eksperimen jaringan multi-user TF-QKD. a, b, c, fluktuasi fase dalam saluran serat panjang. d, e, tingkat error bit. f, g, performa akhir 20 chip pengguna dalam menghasilkan kode.

Tim peneliti juga membangun jaringan kuantum multi-chip yang bekerja secara kolaboratif, memungkinkan banyak pengguna menjalankan pengiriman dan tidak pengiriman protokol TF-QKD secara paralel. Dengan memperkenalkan skema pelacakan fase pada saluran dua gelombang, meskipun cahaya referensi (Gambar 3a) dan cahaya kuantum (Gambar 3b) mengalami fluktuasi fase cepat di jalur serat panjang, karena keduanya dikirim melalui serat yang sama dan berasal dari frequency comb yang sangat koheren, pergeseran fase relatif antar gelombang hanya perlahan-lahan (Gambar 3c), sehingga dapat dilakukan koreksi fase kuantum secara efektif melalui pemantauan cahaya referensi. Tim juga mengevaluasi secara sistematis interferensi linier dan noise Raman nonlinier yang dihasilkan oleh transmisi multi-wavelength, dan mengoptimalkan filter untuk menurunkan tingkat noise mendekati hitungan gelap detektor. Akhirnya, sistem mampu berjalan dengan error rate rendah pada jalur uplink 204 km dan 370 km (Gambar 3d,e), dan pada jarak 370 km melampaui batas linier tanpa repeater (PLOB bound), dengan peningkatan hingga 251,4% dari batas teoretis (Gambar 3f,g). Selain itu, pada jalur downlink yang lebih panjang (setara dengan loop serat 490 km), sistem tetap mampu melakukan pelacakan fase secara stabil dan menghasilkan kode yang aman, membuktikan bahwa solusi ini layak diterapkan dalam jaringan kuantum nyata.

(Sumber: Cailian Press)