北京大学物理学院の公式微博は2月12日に、同学院の現代光学研究所の王剑威教授、龚旗煌教授のチームと電子学院の常林研究員のチームが、国際的なトップクラスの学術誌『ネイチャー』において、「集積光量子チップに基づく大規模量子通信ネットワーク」というタイトルの画期的な研究成果を発表したことを発表しました。研究チームは、全機能を備えた高性能な量子鍵送信チップと光学マイクロキャビティ光周波数梳光源チップを成功裏に開発し、これを基に世界初の集積光量子チップを用いた大規模量子鍵配送ネットワーク「未名量子芯網」を構築しました。この量子ネットワークは20台のチップユーザーが並列通信でき、2台間の通信距離は370キロメートルに達し、リピーターを必要としない限界を突破しています。ネットワークの規模（クライアント数×通信距離）は3700キロメートルに達し、チップユーザーの規模とネットワーク能力の両面で国際的に先進的な水準にあります。さらに、研究はリン化インジウムと窒化シリコンを用いた材料体系の光量子チップ製造における優位性も検証し、ウェーハレベルの加工において高い歩留まりと高性能、拡張性を備えることを示しました。これにより、低コストかつ大規模な製造の工芸基盤が整い、より遠距離、多ユーザー、大規模な実用化量子秘密通信ネットワークの構築に向けた堅固なチップレベルの解決策を提供します。量子鍵配送は、量子力学の原理に基づき、理論上無条件の安全性を実現できる通信方式です。中国は、量子衛星を用いた鍵配送や地上と宇宙を一体化した量子ネットワークにおいて、すでに一連の重要な成果を挙げており、世界をリードしています。その中でも、二重場量子鍵配送（TF-QKD）は、測定装置に依存しない安全性と超長距離伝送の利点を兼ね備え、光ファイバー中で千キロメートル級の点対点鍵配送を実現しています。このプロトコルは、星型ネットワークアーキテクチャに自然に適しており、コストの高い超伝導単光子検出器を中心ノードに集中配置できるため、ユーザー側のコストを大幅に削減できることから、大規模な量子通信ネットワークの実現に向けた重要な方案の一つと見なされています。しかしながら、TF-QKDの実現には、遠隔の独立したレーザー源間の安定した単一光子干渉が必要であり、光源のノイズ抑制や全体の位相の高精度なロック・追尾が極めて高い要求となっています。現状の実験は、多くがブロックや個別の光ファイバー素子に基づいており、多くは点対点の二ユーザーシステムです。量子鍵配送用のチップ（QKDチップ）は、量子通信システムの小型化、実用化、ネットワーク規模の拡大を実現する重要な道筋の一つです。2004年に日本のNTTが集積型量子鍵配送チップの概念を提唱して以来、20年以上にわたり、QKDチップとデバイスの機能は絶えず改善され、性能も向上しています。北京大学のチームはこの分野で長年にわたり研究を重ね、国際的に先行する成果をいくつも達成しています。具体的には、二つのチップ間の量子もつれ配送と量子テレポーテーション[Nature Physics 16, 148 (2020)]、多チップ間の高次元もつれ量子ネットワーク[Science 381, 221 (2023)]、空間光量子通信に適した渦光もつれチップ[Nature Photonics 19, 471 (2025)]などです。2019年以降も、研究室はQKDチップと量子ネットワークに関する研究を継続し、6年以上の技術蓄積と課題克服を経て、光量子チップを用いた二重場量子鍵配送ネットワークの分野で重要な進展を遂げ、多ユーザー、長距離、大規模な量子通信ネットワークのシステム的突破口を実現しました。図1は、光量子チップを用いた「未名号」大規模量子鍵配送ネットワークの概要です。aは二重場量子鍵配送チップネットワークの構成図、bは20個のQKDチップと微梳光源チップの実物写真です。典型的なTF-QKDの応用では、各ユーザー間で周波数と位相の基準を分配し、遠隔の独立レーザー間のコヒーレンスを確立します。安全な鍵は、不信頼なノードでの単一光子干渉によって得られます。研究チームは波長多重技術を用いて大規模な量子通信ネットワークを構築し、各ネットワークユーザーが並列で量子信号を送信できるようにしました。信号は長距離光ファイバーを経由して中央サーバーノードに伝送され、デマルチプレクシング、干渉、単一光子検出を経て安全な鍵を抽出します。従来の個別光学素子を用いた多波長・多ユーザーシステムは非常に複雑でしたが、集積光子技術はシステムの小型化と高安定性を実現する有効な手段です。本研究では、中央サーバーノードに高品質な因子を持つ窒化シリコン光学マイクロキャビティ周波数梳を種子光源として採用し、自己注入ロック方式により通信波長帯で線幅がヘルツ級の超低ノイズコヒーレント暗パルス周波数梳を生成しました。これにより、複雑な電子制御や大型レーザーは不要となります。梳状スペクトルは下行光ファイバーを通じて各ユーザーノードに配信され、デマルチプレクシングされます。ユーザー側には20個の独立したリン化インジウム光量子チップを配置し、それぞれのチップにはレーザー、変調器、減衰器、鍵符号化・復号化デバイスなどの主要機能を集積し、ウェーハレベルの高歩留まり・低コスト・高性能なQKDユーザーチップを実現しました。光周波数梳の種子光を用いてユーザーノードの局所レーザーを注入ロックし、その位相ノイズを大幅に抑制しています。その後、弱コヒーレント状態に基づき量子状態の符号化を行い、符号化された信号は上行光ファイバーを通じてサーバー側に送信され、最終的に単一光子干渉と測定を行います。ネットワークの全体構成は図1に示されています。図2は、集積光量子チップの主要性能評価です。aはサーバー側の窒化シリコンマイクロキャビティ光周波数梳種子レーザーチップ、bは暗パルス光周波数梳のスペクトル、cは光周波数梳の各歯の周波数雑音パワースペクトル密度、dは全集積のリン化インジウムQKD送信チップ、eはユーザー側のオンチップレーザーの波長調整範囲、fはユーザー側の変調器の半波電圧と変調深度を示しています。これらの性能評価から、マイクロキャビティ光梳とQKD送信チップは、自己注入ロックにより相位ノイズが著しく抑制されていることが示されました。光梳は1550 nm通信波長帯で動作し、自由スペクトルは30 GHzです。ロック後の歯の周波数雑音パワースペクトル密度の白色雑音基線は約13 Hz^2/Hzで、短時間の線幅は約40 Hzとなり、優れたコヒーレンスを示し、12時間以上の連続運転も安定して行えます。dは、ユーザー側リン化インジウムQKD送信チップの構造設計と電気封止後の実物写真です。片上に分布型ブラッグ反射器（DBR）レーザーを集積し、その調整範囲はeに示されており、注入ロック条件下で種子光と高い再現性を持つ周波数・位相を共有し、線幅も同程度です。20個のユーザーチップ上の120個の位相変調器（60個の強度変調器を含む）のテスト結果では、平均半波電圧は約5.8 V、干渉消光比は33 dB超に達し、117個の素子は正常に動作し、良率は97.5％に上ります。特筆すべきは、この研究は、マイクロキャビティ光梳チップとQKD送信チップがウェーハレベルの工芸工程で高い一貫性と高良率を示すことを証明しており、この技術が低コストで大規模生産可能なことを示しています。これにより、大規模量子通信ネットワークの構築において重要な意義を持ちます。図3は、多ユーザーTF-QKDチップネットワークの実験結果です。a、b、cは長距離光ファイバー伝送中の位相変動、d、eは誤り率、f、gは20ユーザーチップの最終符号化性能を示しています。研究チームはさらに、多チップ協調の量子ネットワークを構築し、多ユーザーが並列で送信・非送信のTF-QKDプロトコルを実行できるシステムを実現しました。二重波長チャネルの位相追尾方式を導入し、参考光（図3a）と量子光（図3b）が長距離光ファイバー中で高速な位相変動を経験しても、両者が高コヒーレンスの光周波数梳から共伝送されているため、波長間の相対位相はゆっくり漂移し（図3c）、参考光の監視により量子信号の位相補償が可能です。システムは、多波長共伝送による線形串干渉やラマン雑音の評価を行い、フィルタリングを最適化して雑音レベルを検出器の暗計数に近づけました。最終的に、204 kmと370 kmの上行リンク条件下で低誤り率運用を実現し（図3d、e）、370 kmではリピーターなしの線形符号化レートの限界（PLOB境界）を突破し、理論値の251.4％まで向上させました（図3f、g）。さらに、より長い下行リンク（総長490 kmの閉ループ光ファイバー・マッハ–ゼンダル干渉計に相当）でも、安定した位相追尾と安全な符号化を維持し、実用的な量子ネットワークの実現性を証明しました。（出典：財聯社）
北京大学の研究チームは、世界初の大規模量子通信チップネットワークを構築しました
北京大学物理学院の公式微博は2月12日に、同学院の現代光学研究所の王剑威教授、龚旗煌教授のチームと電子学院の常林研究員のチームが、国際的なトップクラスの学術誌『ネイチャー』において、「集積光量子チップに基づく大規模量子通信ネットワーク」というタイトルの画期的な研究成果を発表したことを発表しました。
研究チームは、全機能を備えた高性能な量子鍵送信チップと光学マイクロキャビティ光周波数梳光源チップを成功裏に開発し、これを基に世界初の集積光量子チップを用いた大規模量子鍵配送ネットワーク「未名量子芯網」を構築しました。この量子ネットワークは20台のチップユーザーが並列通信でき、2台間の通信距離は370キロメートルに達し、リピーターを必要としない限界を突破しています。ネットワークの規模（クライアント数×通信距離）は3700キロメートルに達し、チップユーザーの規模とネットワーク能力の両面で国際的に先進的な水準にあります。
さらに、研究はリン化インジウムと窒化シリコンを用いた材料体系の光量子チップ製造における優位性も検証し、ウェーハレベルの加工において高い歩留まりと高性能、拡張性を備えることを示しました。これにより、低コストかつ大規模な製造の工芸基盤が整い、より遠距離、多ユーザー、大規模な実用化量子秘密通信ネットワークの構築に向けた堅固なチップレベルの解決策を提供します。
量子鍵配送は、量子力学の原理に基づき、理論上無条件の安全性を実現できる通信方式です。中国は、量子衛星を用いた鍵配送や地上と宇宙を一体化した量子ネットワークにおいて、すでに一連の重要な成果を挙げており、世界をリードしています。その中でも、二重場量子鍵配送（TF-QKD）は、測定装置に依存しない安全性と超長距離伝送の利点を兼ね備え、光ファイバー中で千キロメートル級の点対点鍵配送を実現しています。このプロトコルは、星型ネットワークアーキテクチャに自然に適しており、コストの高い超伝導単光子検出器を中心ノードに集中配置できるため、ユーザー側のコストを大幅に削減できることから、大規模な量子通信ネットワークの実現に向けた重要な方案の一つと見なされています。しかしながら、TF-QKDの実現には、遠隔の独立したレーザー源間の安定した単一光子干渉が必要であり、光源のノイズ抑制や全体の位相の高精度なロック・追尾が極めて高い要求となっています。現状の実験は、多くがブロックや個別の光ファイバー素子に基づいており、多くは点対点の二ユーザーシステムです。
量子鍵配送用のチップ（QKDチップ）は、量子通信システムの小型化、実用化、ネットワーク規模の拡大を実現する重要な道筋の一つです。2004年に日本のNTTが集積型量子鍵配送チップの概念を提唱して以来、20年以上にわたり、QKDチップとデバイスの機能は絶えず改善され、性能も向上しています。北京大学のチームはこの分野で長年にわたり研究を重ね、国際的に先行する成果をいくつも達成しています。具体的には、二つのチップ間の量子もつれ配送と量子テレポーテーション[Nature Physics 16, 148 (2020)]、多チップ間の高次元もつれ量子ネットワーク[Science 381, 221 (2023)]、空間光量子通信に適した渦光もつれチップ[Nature Photonics 19, 471 (2025)]などです。2019年以降も、研究室はQKDチップと量子ネットワークに関する研究を継続し、6年以上の技術蓄積と課題克服を経て、光量子チップを用いた二重場量子鍵配送ネットワークの分野で重要な進展を遂げ、多ユーザー、長距離、大規模な量子通信ネットワークのシステム的突破口を実現しました。
図1は、光量子チップを用いた「未名号」大規模量子鍵配送ネットワークの概要です。aは二重場量子鍵配送チップネットワークの構成図、bは20個のQKDチップと微梳光源チップの実物写真です。
典型的なTF-QKDの応用では、各ユーザー間で周波数と位相の基準を分配し、遠隔の独立レーザー間のコヒーレンスを確立します。安全な鍵は、不信頼なノードでの単一光子干渉によって得られます。研究チームは波長多重技術を用いて大規模な量子通信ネットワークを構築し、各ネットワークユーザーが並列で量子信号を送信できるようにしました。信号は長距離光ファイバーを経由して中央サーバーノードに伝送され、デマルチプレクシング、干渉、単一光子検出を経て安全な鍵を抽出します。従来の個別光学素子を用いた多波長・多ユーザーシステムは非常に複雑でしたが、集積光子技術はシステムの小型化と高安定性を実現する有効な手段です。本研究では、中央サーバーノードに高品質な因子を持つ窒化シリコン光学マイクロキャビティ周波数梳を種子光源として採用し、自己注入ロック方式により通信波長帯で線幅がヘルツ級の超低ノイズコヒーレント暗パルス周波数梳を生成しました。これにより、複雑な電子制御や大型レーザーは不要となります。梳状スペクトルは下行光ファイバーを通じて各ユーザーノードに配信され、デマルチプレクシングされます。ユーザー側には20個の独立したリン化インジウム光量子チップを配置し、それぞれのチップにはレーザー、変調器、減衰器、鍵符号化・復号化デバイスなどの主要機能を集積し、ウェーハレベルの高歩留まり・低コスト・高性能なQKDユーザーチップを実現しました。光周波数梳の種子光を用いてユーザーノードの局所レーザーを注入ロックし、その位相ノイズを大幅に抑制しています。その後、弱コヒーレント状態に基づき量子状態の符号化を行い、符号化された信号は上行光ファイバーを通じてサーバー側に送信され、最終的に単一光子干渉と測定を行います。ネットワークの全体構成は図1に示されています。
図2は、集積光量子チップの主要性能評価です。aはサーバー側の窒化シリコンマイクロキャビティ光周波数梳種子レーザーチップ、bは暗パルス光周波数梳のスペクトル、cは光周波数梳の各歯の周波数雑音パワースペクトル密度、dは全集積のリン化インジウムQKD送信チップ、eはユーザー側のオンチップレーザーの波長調整範囲、fはユーザー側の変調器の半波電圧と変調深度を示しています。
これらの性能評価から、マイクロキャビティ光梳とQKD送信チップは、自己注入ロックにより相位ノイズが著しく抑制されていることが示されました。光梳は1550 nm通信波長帯で動作し、自由スペクトルは30 GHzです。ロック後の歯の周波数雑音パワースペクトル密度の白色雑音基線は約13 Hz^2/Hzで、短時間の線幅は約40 Hzとなり、優れたコヒーレンスを示し、12時間以上の連続運転も安定して行えます。dは、ユーザー側リン化インジウムQKD送信チップの構造設計と電気封止後の実物写真です。片上に分布型ブラッグ反射器（DBR）レーザーを集積し、その調整範囲はeに示されており、注入ロック条件下で種子光と高い再現性を持つ周波数・位相を共有し、線幅も同程度です。20個のユーザーチップ上の120個の位相変調器（60個の強度変調器を含む）のテスト結果では、平均半波電圧は約5.8 V、干渉消光比は33 dB超に達し、117個の素子は正常に動作し、良率は97.5％に上ります。特筆すべきは、この研究は、マイクロキャビティ光梳チップとQKD送信チップがウェーハレベルの工芸工程で高い一貫性と高良率を示すことを証明しており、この技術が低コストで大規模生産可能なことを示しています。これにより、大規模量子通信ネットワークの構築において重要な意義を持ちます。
図3は、多ユーザーTF-QKDチップネットワークの実験結果です。a、b、cは長距離光ファイバー伝送中の位相変動、d、eは誤り率、f、gは20ユーザーチップの最終符号化性能を示しています。
研究チームはさらに、多チップ協調の量子ネットワークを構築し、多ユーザーが並列で送信・非送信のTF-QKDプロトコルを実行できるシステムを実現しました。二重波長チャネルの位相追尾方式を導入し、参考光（図3a）と量子光（図3b）が長距離光ファイバー中で高速な位相変動を経験しても、両者が高コヒーレンスの光周波数梳から共伝送されているため、波長間の相対位相はゆっくり漂移し（図3c）、参考光の監視により量子信号の位相補償が可能です。システムは、多波長共伝送による線形串干渉やラマン雑音の評価を行い、フィルタリングを最適化して雑音レベルを検出器の暗計数に近づけました。最終的に、204 kmと370 kmの上行リンク条件下で低誤り率運用を実現し（図3d、e）、370 kmではリピーターなしの線形符号化レートの限界（PLOB境界）を突破し、理論値の251.4％まで向上させました（図3f、g）。さらに、より長い下行リンク（総長490 kmの閉ループ光ファイバー・マッハ–ゼンダル干渉計に相当）でも、安定した位相追尾と安全な符号化を維持し、実用的な量子ネットワークの実現性を証明しました。
（出典：財聯社）