A equipa de investigação da Universidade de Pequim construiu a primeira rede de chips de comunicação quântica em larga escala

Universidade de Pequim, Faculdade de Física, anunciou na sua conta oficial em 12 de fevereiro que a equipe do Professor Wang Jianwei e do Professor Gong Qihuang do Instituto de Óptica Moderna, juntamente com a equipe do Pesquisador Chang Lin da Escola de Eletrônica, publicaram na revista académica de topo internacional “Nature” uma descoberta revolucionária intitulada “Rede de comunicação quântica em larga escala baseada em chips de luz quântica integrados”.

A equipa de investigação conseguiu desenvolver um chip de transmissão de chaves quânticas de alto desempenho e totalmente integrado, bem como um chip de fonte de frequência de microcavidade óptica, e com base nisso construiu a primeira rede de distribuição de chaves quânticas em larga escala baseada em chips de luz quântica integrados — a “Rede Quântica WeiMing”. Esta rede quântica suporta 20 utilizadores de chips a comunicarem em paralelo, com uma distância de comunicação de até 370 km entre pares, ultrapassando o limite sem repetidores, e uma capacidade de rede (número de clientes × distância de comunicação) de 3700 km, atingindo níveis líderes mundiais tanto em escala de utilizadores quanto em capacidade de rede.

A investigação também confirmou ainda mais a superioridade do sistema de materiais de fosfeto de índio e sílica na fabricação de chips de luz quântica, caracterizado por alta taxa de produção a nível de wafer, alto desempenho e forte escalabilidade, estabelecendo uma base tecnológica para a produção de baixo custo e em grande escala. Este avanço fornece uma solução sólida ao nível do chip para a construção de redes de comunicação quântica seguras, de maior alcance, com mais utilizadores e de maior escala, no futuro.

A distribuição de chaves quânticas baseia-se nos princípios da mecânica quântica, permitindo uma comunicação teoricamente incondicionalmente segura. A China já obteve uma série de resultados importantes na distribuição de chaves por satélites quânticos e na construção de redes quânticas integradas entre espaço e terra, posicionando-se na liderança mundial. Entre elas, a distribuição de chaves quânticas de campo duplo (TF-QKD) combina segurança independente do equipamento de medição com vantagens de transmissão de longa distância, tendo os cientistas chineses conseguido realizar distribuição de chaves ponto a ponto em fibra ótica de milhares de quilómetros. Este protocolo é naturalmente adequado para arquiteturas de rede em estrela, permitindo a configuração centralizada de recursos caros de deteção de fótons únicos, como detectores supercondutores, reduzindo significativamente os custos nos utilizadores finais, sendo considerado uma das soluções mais importantes para a implementação de redes de comunicação quântica em larga escala. No entanto, a implementação do TF-QKD depende fortemente de interferência estável entre fontes de laser independentes remotas, exigindo um controlo de ruído de fonte de luz e de fase global de alta precisão, o que atualmente é difícil de alcançar com sistemas baseados em componentes discretos ou em fibras, sendo maioritariamente sistemas ponto a ponto entre dois utilizadores.

O chip de distribuição de chaves quânticas (QKD) é uma das vias principais para a miniaturização, praticidade e escalabilidade das redes de comunicação quântica. Desde que a NTT do Japão propôs em 2004 o conceito de chips integrados de distribuição de chaves quânticas, os seus componentes têm vindo a evoluir continuamente, com melhorias de desempenho ao longo de mais de duas décadas. A equipa da Universidade de Pequim tem trabalhado nesta área há muitos anos, alcançando resultados internacionais de relevo, incluindo a distribuição de entrelaçamento quântico e teleportação quântica entre dois chips [Nature Physics 16, 148 (2020)], redes quânticas de entrelaçamento de alta dimensão entre múltiplos chips [Science 381, 221 (2023)] e chips de entrelaçamento de vórtice para comunicação quântica espacial [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. Desde 2019, o laboratório tem dedicado esforços à investigação de chips QKD e redes quânticas, acumulando mais de seis anos de experiência técnica, culminando numa evolução significativa na área de redes de distribuição de chaves quânticas baseadas em chips de luz, com avanços na construção de redes de comunicação quântica de múltiplos utilizadores, de longa distância e em grande escala.

Figura 1 Rede de distribuição de chaves quânticas em larga escala baseada em chips de luz quântica “WeiMing”: a, arquitetura da rede de chips de distribuição de chaves quânticas de campo duplo. b, fotografia real de 20 chips QKD e chips de fonte de microcavidade.

No uso típico do TF-QKD, é necessário distribuir referências de frequência e fase entre utilizadores para estabelecer coerência entre lasers independentes remotos, e as chaves seguras são obtidas através de interferência de fótons únicos em nós não confiáveis. A equipa de investigação utilizou tecnologia de multiplexagem por divisão de comprimento de onda para construir uma rede de comunicação quântica em larga escala, permitindo que os utilizadores enviem sinais quânticos em paralelo. Após transmissão por fibras óticas de longa distância até ao nó central, realiza-se a demultiplexação, interferência e deteção de fótons únicos, extraindo assim as chaves seguras. Sistemas tradicionais baseados em componentes ópticos discretos para múltiplas ondas e utilizadores são extremamente complexos, enquanto a tecnologia de fotónica integrada oferece uma via viável para tornar os sistemas mais compactos e estáveis. Neste trabalho, a equipa utilizou um microcavidade de sílica de alta qualidade como fonte de frequência de microcavidade, que, através de auto-injeção de bloqueio, gera uma frequência de pulso escuro de baixa ruído com largura de linha na ordem de Hertz, na banda de comunicação de 1550 nm, sem necessidade de sistemas eletrónicos complexos ou lasers de bancada. A linha de espectro do microcavidade é distribuída por fibra até aos utilizadores, que a utilizam para demultiplexar sinais. Cada utilizador dispõe de um chip de luz quântica de fósforo de índio, que integra todos os componentes essenciais — laser, modulador, atenuador, codificador e decodificador — numa única peça, permitindo uma produção em wafer, alta taxa de sucesso, baixo custo e alto desempenho. A luz de referência do microcavidade é injetada nos lasers locais dos utilizadores, suprimindo significativamente o ruído de fase. O sistema codifica estados quânticos usando estados fracos de coerência, enviando-os por fibra para o servidor, onde ocorre a interferência e deteção de fótons únicos. A arquitetura completa da rede está ilustrada na figura 1.

Figura 2 Caracterização do desempenho de chips de luz quântica integrados. a, Fonte de laser de microcavidade de sílica no servidor. b, Espectro do pulso escuro de luz de frequência de microcavidade. c, Densidade de potência do ruído de frequência de cada dente do espectro do microcavidade. d, Chip de transmissão de chaves quânticas (QKD) totalmente integrado de fósforo de índio. e, Faixa de tunagem de comprimento de onda do laser local no utilizador. f, Tensão de meia onda do modulador e profundidade de modulação.

A figura 2 apresenta as principais características do microcavidade de luz de frequência e do chip de transmissão QKD. Como mostrado em 2a–c, a auto-injeção de bloqueio na geração do pulso escuro de frequência de microcavidade suprime significativamente o ruído de fase. Este microcavidade opera na banda de comunicação de 1550 nm, com um espectro livre de 30 GHz; após o bloqueio, a densidade de potência do ruído branco dos dentes do espectro é cerca de 13 Hz²Hz⁻¹, com uma largura de linha de aproximadamente 40 Hz, demonstrando excelente coerência, podendo funcionar de forma contínua por mais de 12 horas. A figura 2d mostra o design estrutural e a fotografia real do chip de transmissão QKD de fósforo de índio no utilizador. A faixa de tunagem do laser de reflexão distribuída (DBR) integrado no chip, como mostrado em 2e, permite que, sob condições de injeção de bloqueio, a frequência e fase do laser reproduzam com alta fidelidade a fonte de semente, com largura de linha semelhante. Os testes com 120 moduladores de fase em 20 chips de utilizador revelaram uma tensão média de meia onda de cerca de 5,8 V e uma relação de extinção de interferência superior a 33 dB, com 117 dispositivos a funcionar normalmente, atingindo uma taxa de sucesso de 97,5%. É importante salientar que a pesquisa também demonstrou que os chips de microcavidade e os chips de transmissão QKD apresentam alta consistência e elevada taxa de sucesso na fabricação em wafer, indicando potencial para produção em larga escala de baixo custo, sendo fundamental para a construção de redes de comunicação quântica em grande escala.

Figura 3 Resultados experimentais de rede de chips QKD para múltiplos utilizadores. a, b, c, Flutuações de fase em canais de fibra longa. d, e, Taxa de erro de bits. f, g, Desempenho final de codificação de 20 chips de utilizador QKD.

A equipa de investigação também construiu uma rede quântica colaborativa com múltiplos chips, permitindo a operação paralela de envio e não envio do protocolo TF-QKD. Ao introduzir uma estratégia de rastreamento de fase de canal de duas ondas, apesar de a luz de referência (figura 3a) e a luz quântica (figura 3b) sofrerem rápidas flutuações de fase na ligação de fibra longa, devido à transmissão conjunta por fibra e à origem de uma fonte de luz altamente coerente, a fase relativa entre diferentes comprimentos de onda apenas drift lento (figura 3c), permitindo compensação eficaz da fase do sinal quântico através da monitorização da luz de referência. A equipa avaliou o impacto de interferências lineares e ruído Raman não linear na transmissão multibanda, otimizando filtros para reduzir o nível de ruído próximo ao escuro do detector. Como resultado, o sistema operou com baixo índice de erro em ligações ascendentes de 204 km e 370 km (figura 3d, e), e superou o limite de taxa de bits sem repetidor (PLOB bound) a 370 km, com uma melhoria de até 251,4% em relação ao limite teórico (figura 3f, g). Além disso, em ligações descendentes mais longas (equivalente a um circuito fechado de fibra de 490 km), o sistema manteve uma fase estável e gerou chaves seguras, confirmando a viabilidade da solução em redes quânticas reais.

(Origem: Caixin)