Науково-дослідна команда Пекінського університету створила першу масштабну мережу квантових комунікаційних чіпів

Пекінський університет, факультет фізики, 12 лютого оголосив, що команда сучасного інституту оптики під керівництвом професора Ван Цзяньвей, професора Гон Ціхуана та дослідника Чан Лінь з факультету електроніки опублікували у провідному міжнародному науковому журналі «Nature» проривне дослідження під назвою «Масштабна квантова комунікаційна мережа на основі інтегрованого фотонного квантового чіпа».

Наукова команда успішно розробила повнофункціональний інтегрований високопродуктивний чіп для передачі квантових ключів та оптичний мікрокамерний джерело світлових частотних решіток, а також на їх основі побудувала першу у світі масштабну квантову мережу розподілу ключів на базі інтегрованих фотонних квантових чіпів — «Веймінь квантова мережа». Ця мережа підтримує паралельну комунікацію 20 користувачів-чіпів, двонапрямну відстань до 370 км та перевищує межу без реле, а її здатність до мережування (кількість клієнтів × відстань) досягає 3700 км, що є міжнародним лідерством у масштабах користувачів та мережевих можливостях.

Дослідження також додатково підтвердило переваги матеріальної системи на основі індію-фосфіду та силіцію нітриду у виробництві фотонних квантових чіпів, що характеризується високою вихідною здатністю, високою продуктивністю та сильною масштабованістю при виробництві на рівні плівки, закладаючи технологічну основу для низькозатратного та масштабного виготовлення. Цей прорив створює міцну платформу для майбутнього будівництва більш дальніх, більш містких та більш практичних квантових захищених комунікаційних мереж.

Квантове розподілення ключів базується на принципах квантової механіки і може забезпечити теоретично безумовну безпеку зв’язку. У Китаї вже досягнуто низки важливих результатів у сфері квантових супутникових систем розподілу ключів та інтегрованих наземно-орбітальних квантових мереж, що дозволяє займати провідні позиції у світі. Зокрема, двонапрямне квантове розподілення ключів (TF-QKD) поєднує безпеку, незалежну від вимірювального обладнання, та переваги наддовгого передавання, і наші вчені вже реалізували точкове розподілення ключів на тисячі кілометрів у волоконній оптиці. Ця схема природно підходить для зірчастих мережевих архітектур, дозволяючи централізовано використовувати дорогі ресурси для надзвичайно чутливих детекторів у центрі мережі, значно знижуючи вартість кінцевих користувачів і вважається одним із ключових шляхів до масштабованих квантових мереж зв’язку. Однак реалізація TF-QKD вимагає стабільної інтерференції між віддаленими незалежними лазерами, що ставить високі вимоги до шуму джерел світла та точності глобального фазового контролю, і більшість існуючих експериментів базуються на окремих або масивних оптичних компонентах, здебільшого у системах точка-до-точка.

Чіпи для розподілу квантових ключів (QKD-чіпи) є одним із важливих шляхів для зменшення розмірів, підвищення практичності обладнання та масштабування мереж. З моменту впровадження концепції інтегрованих QKD-чіпів японською компанією NTT у 2004 році, функціональність та продуктивність таких пристроїв постійно удосконалюються. Команда Пекінського університету довгий час активно працює у цій галузі, досягнувши низки міжнародних лідерських результатів, зокрема розповсюдження квантової заплутаності та квантової імітаційної передачі між двома чіпами [Nature Physics 16, 148 (2020)], багатовимірної заплутаності у квантовій мережі між кількома чіпами [Science 381, 221 (2023)] та чіпів для космічних квантових комунікацій із спіральним світлом [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. З 2019 року лабораторія активно досліджує QKD-чіпи та квантові мережі, і після понад шести років технологічних напрацювань досягла значного прориву у створенні систем для довгострокового, масштабного квантового зв’язку з багатьма користувачами.

Рисунок 1. Масштабна квантова мережа розподілу ключів на основі фотонних чіпів «Веймінь»: а — архітектура мережі двонапрямного розподілу ключів; б — реальні фото 20 QKD-чіпів та мікроспрямової джерельної мікросхеми.

У типових застосуваннях TF-QKD потрібно розподіляти частотні та фазові бази між користувачами для створення когерентності незалежних лазерів на відстані, а безпечний ключ отримують через інтерференцію фотонів у ненадійних вузлах. Команда використовувала технологію розподілу за допомогою оптичних волокон для побудови масштабної квантової мережі, що дозволяє користувачам одночасно передавати квантові сигнали. Після довгого проходження через оптоволоконний канал сигнали надходять до центрального сервера, де відбувається розділення, інтерференція та детектування фотонів для отримання безпечних ключів. Традиційні системи з окремими оптичними компонентами для багатохвильового та багатокористувацького зв’язку є дуже складними, тоді як інтегровані фотонні технології відкривають шлях до компактних та стабільних систем. У цій роботі команда використовувала високоякісний силіконовий мікрокамерний резонатор із частотною решіткою як джерело для центрального сервера, що генерує дуже вузькоспектральний, з низьким рівнем шуму, когерентний темний імпульсний частотний решітковий спектр без складних електронних систем або настільних лазерів. Цей спектр розподіляється через оптоволоконні лінії до користувачів, де відбувається розділення. На кінцях користувачів використовуються 20 незалежних індій-фосфідних фотонних чіпів, кожен з яких інтегрує лазер, модулятор, ослаблювач, компоненти для кодування та розкодування ключів, що забезпечує виробництво високоякісних, низькозатратних та високопродуктивних QKD-чіпів для користувачів. За допомогою фотонного спектрального джерела та локальних лазерів користувачів фазовий шум значно зменшується. Потім система використовує слабкий когерентний стан для кодування квантових станів, які надсилаються через вихідний оптоволоконний канал до сервера, де відбувається інтерференція та вимірювання. Повна архітектура мережі показана на рисунку 1.

Рисунок 2. Характеристика ключових параметрів інтегрованих фотонних чіпів. а — джерело для центрального сервера із силіконового мікрокамерного спектрального решіткового лазера; б — спектр темних імпульсних спектрів; в — спектральна щільність шуму кожної решітки спектра. г — інтегрований індій-фосфідний QKD-чіп користувача. д — діапазон довжин хвиль локального лазера на боці користувача. е — напруга напівхвильового модулятора та глибина модуляції.

Рисунок 2 демонструє основні характеристики мікрокамерного спектрального решіткового лазера та QKD-чіпів. Як показано на рисунках 2a–c, одночасно з генерацією темних імпульсних спектрів цей спектр значно знижує фазовий шум. Робота спектра у діапазоні 1550 нм, з частотною решіткою 30 ГГц; після стабілізації рівень шуму спектральних решіток становить близько 13 Гц^2Гц^−1, а ширина лінії — приблизно 40 Гц, що демонструє високу когерентність і стабільність понад 12 годин. На рисунку 2d показано структуру та фізичне зображення індій-фосфідного QKD-чіпа користувача після електричного пакування. Діапазон налаштування лазера з розподіленим дзеркалом (DBR), інтегрованого на чіпі, показаний на рисунку 2e; при інжекційному стабілізуванні його частота та фаза можуть точно копіювати зразковий лазер, ширина лінії досягає відповідного рівня. Результати тестування 120 фазових модуляторів на 20 чіпах користувачів показують середнє напруження напівхвилі близько 5.8 В, коефіцієнт інтерференційного погашення понад 33 дБ, з 117 працездатними пристроями та рівнем виходу 97.5%. Варто підкреслити, що дослідження також підтвердило високу однорідність та високий вихідний рівень мікрокамерних спектральних решіткових лазерів і QKD-чіпів при виробництві на рівні плівки, що свідчить про потенціал масового виробництва з низькими витратами та важливість для створення масштабованих квантових мереж зв’язку.

Рисунок 3. Експериментальні результати багатокористувацької мережі TF-QKD-чіпів. а, б, в — фазові коливання у довгих оптоволоконних каналах. г, д — показники помилковості. е, ж — кінцеві результати розподілу кодів 20 користувачами QKD-чіпів.

Команда додатково побудувала квантову мережу з кількома чіпами, що працюють у координації, реалізуючи паралельний режим передачі та не передачі протоколу TF-QKD. Вводячи схему фазового слідкування для двох довжиночних каналів, вони змогли компенсувати швидкі фазові коливання у довгих оптоволоконних лініях, оскільки референтне світло (рисунок 3a) та квантове світло (рисунок 3b) проходили по одних і тих самих волокнах і походили з висококонхерентних спектральних джерел, а їх відносна фаза лише повільно змінювалася (рисунок 3c). Команда провела оцінку рівня лінійних перешкод та нелінійного раманівського шуму, оптимізуючи фільтри для зниження рівня шуму до рівня темних підрахунків детекторів. В результаті система успішно працювала на довжинах 204 км та 370 км з низьким рівнем помилок (рисунки 3d, e), а на 370 км перевищила межу без реле (PLOB bound), досягнувши максимуму у 251.4% від теоретичного верхнього рівня (рисунки 3f, g). Крім того, при довжинах зворотних каналів, що імітують закритий контур довжиною 490 км, система зберігала стабільність фазового слідкування та безпечне кодування, підтверджуючи практичну можливість застосування цієї схеми у реальних квантових мережах.

(Джерело: Caixin)