Научно-исследовательская команда Пекинского университета создала первую в мире масштабную сеть квантовых коммуникационных чипов

Пекинский университет, факультет физики, 12 февраля объявил, что команда профессора Ван Цзянвэя и профессора Гон Цихуаня Института современной оптики совместно с командой исследователя Чан Лина из Электронного факультета опубликовали в ведущем международном научном журнале «Nature» прорывное исследование под названием «Масштабная квантовая коммуникационная сеть на базе интегрированного фотонного квантового чипа».

Исследовательская команда успешно разработала полнофункциональный интегрированный высокопроизводительный чип для передачи квантовых ключей и оптический микрос cavity-частотный решетчатый источник света, и на его основе создала первую в мире масштабную квантовую ключевую распределительную сеть на базе интегрированного фотонного квантового чипа — «WeMing Quantum Network». Эта сеть поддерживает параллическую связь 20 чипов-пользователей, расстояние между двумя точками достигает 370 км, при этом преодолевает границу без репитеров, а способность сети (число клиентов × расстояние связи) достигает 3700 км, что является международным лидером как по масштабам пользователей, так и по возможностям сети.

Исследование также подтвердило превосходство материаловных систем на основе индиума фосфида и нитрида кремния в производстве фотонных квантовых чипов, обладающих высокой выходной продуктивностью, высокой производительностью и сильной масштабируемостью при фабричном производстве, что закладывает технологическую основу для недорогого и массового изготовления. Этот прорыв обеспечивает надежное решение на уровне чипов для будущего построения практических квантовых защищенных коммуникационных сетей, охватывающих большие расстояния и включающих больше пользователей.

Распределение квантовых ключей основано на принципах квантовой механики и может обеспечить теоретически безусловную безопасность связи. В Китае достигнуты значительные успехи в области квантовых спутниковых систем распределения ключей и интегрированных наземных квантовых сетей, что позволяет занимать ведущие позиции в мире. В частности, двухлучевое распределение ключей (TF-QKD) сочетает в себе безопасность, не зависящую от измерительного оборудования, и преимущества сверхдлинных расстояний передачи. Наши ученые реализовали точечное распределение ключей на оптоволокне на расстоянии до тысячи километров. Этот протокол естественно подходит для звездчатых сетевых архитектур, позволяя централизованно использовать дорогостоящие сверхпроводящие однопучковые детекторы в центральных узлах, значительно снижая затраты на пользовательские устройства, и считается одним из важных решений для масштабирования квантовых коммуникационных сетей. Однако реализация TF-QKD требует стабильной интерференции между удаленными независимыми лазерами, что предъявляет высокие требования к подавлению шума источников света и точной синхронизации глобальной фазы. Большинство существующих экспериментов по-прежнему основаны на дискретных оптических компонентах или системах, и в основном реализуются в точечных системах между двумя пользователями.

Квантовые чипы для распределения ключей (QKD-чипы) — один из ключевых путей для миниатюризации квантовых коммуникационных систем, повышения их практичности и масштабируемости сети. С момента появления концепции интегрированных QKD-чипов в NTT (Япония) в 2004 году, за последние более двадцати лет функции и характеристики этих устройств постоянно совершенствовались. Команда Пекинского университета долгое время занимается этой областью и достигла ряда международных лидирующих результатов, включая распределение квантовой запутанности и квантовую телепортацию между двумя чипами [Nature Physics 16, 148 (2020)], высокоразмерную запутанность в мульти-чиповых квантовых сетях [Science 381, 221 (2023)] и чипы для пространственной квантовой связи с вихревыми фотонами [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. С 2019 года лаборатория продолжает исследования в области QKD-чипов и квантовых сетей, за более чем шесть лет накопленных технологий и решений достигнут значительный прогресс, в том числе системный прорыв в области многоузловых, дальних и масштабных квантовых коммуникационных сетей на базе фотонных чипов.

Рисунок 1. Масштабная квантовая ключевая сеть «WeMing» на базе фотонных чипов: а — архитектура сети двухлучевого распределения ключей; б — реальные фотографии 20 QKD-чипов и микрос решетчатых источников света.

В типичных приложениях TF-QKD необходимо распределять между пользователями частотные и фазовые эталоны для установления когерентности между удаленными независимыми лазерами, а безопасность ключа достигается за счет интерференции фотонов в недоверенных узлах. Команда использовала технологию мультиплексирования по длине волны для построения масштабной квантовой сети, позволяя пользователям одновременно передавать квантовые сигналы. После передачи по длинной оптоволоконной линии сигнала в центральный серверный узел происходит демультиплексирование, интерференция и обнаружение фотонов, что позволяет извлечь безопасный ключ. Традиционные системы на дискретных оптических компонентах с множеством длин волн и пользователей очень сложны, а интегрированные фотонные технологии предоставляют путь к уменьшению размеров и повышению стабильности системы. В этой работе команда использовала высококачественный кремний нитридный микрос cavity-частотный решетчатый источник в центральном узле, который через самовнедрение обеспечивает генерацию сверхнизкошумных когерентных темных импульсов с шириной линии в герцы, без необходимости сложных электронных систем или настольных лазеров. Эти решетки распространяются по оптоволокну к узлам пользователей, где происходит демультиплексирование. На стороне пользователя использованы 20 независимых индиум-фосфидных фотонных чипов, каждый из которых интегрирует лазер, модулятор, затухатель, устройства кодирования и декодирования ключа, что обеспечивает фабричное производство, высокую выходную продуктивность, низкую стоимость и высокую производительность. В качестве источника для локальных лазеров на стороне пользователя используется фотонный решетчатый источник, который через световой решетчатый источник обеспечивает фазовую синхронизацию, значительно снижая фазовой шум. Далее, система использует слабое когерентное состояние для кодирования квантовых состояний, которые затем передаются по восходящему каналу на сервер, где происходит интерференция и измерение фотонов. Полная архитектура сети показана на рисунке 1.

Рисунок 2. Основные характеристики интегрированных фотонных чипов. а — источник на базе кремний нитридного микрос cavity-частотного решетчатого источника в серверном узле; б — спектр темных импульсов; в — спектральная плотность мощности фазового шума решетчатых линий; г — интегрированный индиум-фосфидный QKD-чип пользователя; д — диапазон длины волны локальных лазеров на стороне пользователя; е — половинное напряжение и глубина модуляции у модуляторов на стороне пользователя.

Рисунок 2 демонстрирует ключевые характеристики микрос cavity-частотных решетчатых источников и QKD-отправляющих чипов. На рисунках 2a–c показано, что самовнедрение в процессе генерации темных импульсов значительно снижает фазовой шум. Решетка работает в диапазоне 1550 нм, с шириной спектра 30 ГГц; после стабилизации белый шум спектра частот решетчатых линий составляет около 13 Hz^2/Hz, что соответствует короткосрочной ширине линии около 40 Гц, демонстрируя отличную когерентность и стабильность, позволяя работать более 12 часов подряд. На рисунке 2d показана структура и реальное изображение индиум-фосфидного QKD-чипа пользователя после электросоединения. Диапазон настройки лазера с распределенной обратной связью (DBR) на чипе, как показано на рисунке 2e, позволяет высокой точностью копировать частоту и фазу исходного источника при условии инжекции. Тестирование 120 фазовых модуляторов на 20 чипах показало, что среднее половинное напряжение составляет около 5.8 В, а интерференционный коэффициент подавления — более 33 дБ, из них 117 устройств работают нормально, уровень выхода — 97.5%. Важно отметить, что исследование также подтвердило, что микрос cavity-частотные решетки и QKD-чипы демонстрируют высокую однородность и высокий выходной уровень при фабричном производстве, что свидетельствует о потенциале низкозатратного масштабируемого производства и имеет ключевое значение для построения масштабных квантовых сетей.

Рисунок 3. Экспериментальные результаты многопользовательской TF-QKD сети. а, б, в — фазовые флуктуации в длинных оптоволоконных каналах; г, д — показатели битовой ошибки; е, ж — итоговая производительность 20 пользовательских QKD-чипов.

Команда также создала многочиповую квантовую сеть, реализующую параллическую работу передачи и не передачи протокола TF-QKD. Вводя схему фазового отслеживания двухлучевых каналов, несмотря на быстрые фазовые флуктуации в длинных оптоволоконных линиях (рис. 3a, 3b), благодаря тому, что оптические сигналы передаются по одному кабелю и исходят из высоко когерентных источников, относительная фаза между ними меняется медленно (рис. 3c), что позволяет эффективно компенсировать фазовые отклонения квантовых сигналов, контролируя их по опорному свету. Команда оценивала влияние мультидлинноволнового совместного кабельного канала на линейные перекрестные помехи и нелинейный рамановский шум, оптимизировала фильтрацию и снизила уровень шума до уровня, близкого к темновым счетам детекторов. В итоге система успешно работала при длинах линий 204 км и 370 км с низким уровнем ошибок (рис. 3d, 3e), а на 370 км превысила теоретический предел без репитеров (PLOB bound), достигнув повышения пропускной способности до 251.4% относительно теоретической границы (рис. 3f, 3g). Также при более длинных нисходящих линиях (эквивалентных замкнутому кольцу длиной 490 км) система сохраняла стабильность фазового отслеживания и обеспечивала безопасное кодирование, подтверждая практическую реализуемость предложенного подхода в реальных квантовых сетях.

(Источник: Caixin)