Nhóm nghiên cứu của Đại học Bắc Kinh xây dựng mạng chip truyền thông lượng tử quy mô lớn đầu tiên

Đại học Bắc Kinh, Viện Vật lý, ngày 12 tháng 2 đã công bố rằng nhóm nghiên cứu của Giáo sư Wang Jianwei và Giáo sư Gong Qihuang tại Viện Quang học Hiện đại cùng nhóm nghiên cứu của Nghiên cứu viên Chang Lin của Trường Điện tử đã công bố trên tạp chí học thuật hàng đầu thế giới 《自然》 một thành tựu đột phá mang tên “Mạng lưới truyền thông lượng tử quy mô lớn dựa trên chip quang tích hợp lượng tử”.

Nhóm nghiên cứu đã thành công chế tạo chip phát khóa lượng tử đa chức năng, hiệu suất cao, tích hợp hoàn chỉnh, cùng với nguồn sáng quang học micro-cavity và bộ phân tần quang học, dựa trên đó xây dựng mạng phân phối khóa lượng tử quy mô lớn đầu tiên trên thế giới dựa trên chip quang tích hợp lượng tử — gọi là “Mạng lượng tử WeiMing”. Mạng lượng tử này hỗ trợ 20 người dùng chip đồng thời giao tiếp, khoảng cách liên lạc giữa hai điểm đạt 370 km và phá vỡ giới hạn không có trung gian, khả năng mạng lưới (số lượng khách hàng × khoảng cách liên lạc) đạt 3700 km, cả về quy mô người dùng chip lẫn khả năng mạng lưới đều đạt trình độ dẫn đầu quốc tế.

Nghiên cứu còn xác nhận thêm tính ưu việt của hệ thống vật liệu dựa trên phospho indium và silicon nitride trong chế tạo chip quang lượng tử, có đặc điểm chế tạo trên quy mô wafer với tỷ lệ thành công cao, hiệu suất cao và khả năng mở rộng mạnh mẽ, đặt nền móng cho việc chế tạo với chi phí thấp, quy mô lớn. Đột phá này cung cấp giải pháp chip cấp cho xây dựng mạng lưới truyền thông lượng tử bảo mật thực tiễn, phủ sóng xa hơn, chứa nhiều người dùng hơn và hỗ trợ quy mô lớn hơn trong tương lai.

Phân phối khóa lượng tử dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử, có thể đạt được truyền thông an toàn vô điều kiện về lý thuyết. Trung Quốc đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng trong phân phối khóa lượng tử qua vệ tinh và mạng lượng tử tích hợp đất trời, giữ vị trí dẫn đầu toàn cầu. Trong đó, phương pháp phân phối khóa lượng tử hai trường (TF-QKD) kết hợp tính an toàn không phụ thuộc thiết bị đo lường và lợi thế truyền xa vượt trội, các nhà khoa học Trung Quốc đã thực hiện thành công phân phối khóa qua cáp quang ở phạm vi hàng nghìn km. Giao thức này phù hợp tự nhiên với kiến trúc mạng hình sao, có thể tập trung các nguồn quang siêu dẫn đắt tiền tại trung tâm, giảm đáng kể chi phí phía người dùng, được xem là một trong những phương án quan trọng để xây dựng mạng lưới truyền thông lượng tử quy mô lớn. Tuy nhiên, việc thực hiện TF-QKD phụ thuộc rất lớn vào sự ổn định của sự giao thoa đơn photon giữa các nguồn laser độc lập từ xa, đòi hỏi kiểm soát nhiễu của nguồn sáng và khóa pha toàn cục với độ chính xác cao, phần lớn các thí nghiệm hiện nay vẫn dựa trên các thiết bị quang rời rạc hoặc khối, chủ yếu là hệ thống điểm-đến-điểm giữa hai người dùng.

Chip phân phối khóa lượng tử (QKD chip) là một trong những con đường quan trọng để thu nhỏ hệ thống truyền thông lượng tử, làm thiết bị trở nên thực tiễn và mở rộng quy mô mạng lưới. Kể từ khi NTT Nhật Bản lần đầu đề xuất khái niệm chip phân phối khóa lượng tử tích hợp vào năm 2004, trong hơn hai thập kỷ qua, chức năng của chip và thiết bị QKD liên tục được hoàn thiện và nâng cao hiệu suất. Nhóm nghiên cứu của Đại học Bắc Kinh đã lâu dài theo đuổi lĩnh vực này, đã đạt được nhiều thành tựu dẫn đầu quốc tế như phân phối entanglement lượng tử giữa hai chip và truyền trạng thái lượng tử ẩn [Nature Physics 16, 148 (2020)], mạng lưới entanglement lượng tử đa chiều giữa nhiều chip [Science 381, 221 (2023)], và chip entanglement xoáy phù hợp cho truyền thông lượng tử quang học không gian [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. Từ năm 2019, nhóm đã liên tục đầu tư nghiên cứu về chip QKD và mạng lượng tử, sau hơn sáu năm tích lũy công nghệ và vượt qua các thử thách, cuối cùng đã đạt tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực mạng phân phối khóa lượng tử hai trường dựa trên chip quang, thực hiện đột phá hệ thống cho mạng truyền thông lượng tử quy mô lớn, nhiều người dùng, khoảng cách dài.

Hình 1: Mạng phân phối khóa lượng tử quy mô lớn dựa trên chip quang lượng tử “WeiMing”: a, kiến trúc mạng chip phân phối khóa lượng tử hai trường. b, hình ảnh thực tế của 20 chip QKD và nguồn sáng micro-comb.

Trong các ứng dụng điển hình của TF-QKD, cần phân phối các tham chiếu tần số và pha giữa các người dùng để xây dựng tính liên kết của các laser độc lập từ xa, khóa an toàn được lấy qua sự giao thoa photon đơn tại các nút không đáng tin cậy. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ multiplexing bằng sóng mang để xây dựng mạng truyền thông lượng tử quy mô lớn, cho phép các người dùng gửi tín hiệu lượng tử song song. Tín hiệu sau khi truyền qua cáp quang dài đến nút trung tâm sẽ thực hiện giải mã, giao thoa và phát hiện photon đơn, từ đó trích xuất khóa an toàn. Cấu trúc hệ thống truyền nhiều bước sóng và nhiều người dùng dựa trên các thiết bị quang rời rạc rất phức tạp, trong khi công nghệ quang tích hợp cung cấp khả năng thu nhỏ hệ thống và nâng cao độ ổn định. Trong công trình này, nhóm đã sử dụng micro-cavity silicon nitride có chất lượng cao làm nguồn sáng micro-comb tại nút trung tâm, thông qua phương pháp tự khóa để tạo ra các bộ tần số cực thấp, độ rộng dòng chảy của các bộ comb đạt mức terahertz, không cần hệ thống điều khiển điện tử phức tạp hay laser để bàn. Các đường phổ của bộ comb này được phân phối qua cáp quang xuống các nút người dùng và thực hiện giải mã. Các chip của người dùng gồm 20 chip quang lượng tử indium phosphide, mỗi chip tích hợp đầy đủ các chức năng chính như laser, bộ điều chế, bộ giảm độ, mã hóa và giải mã khóa, đạt chế tạo trên wafer, tỷ lệ thành công cao, chi phí thấp, hiệu suất cao. Nhờ nguồn sáng micro-comb, pha của laser tại các nút người dùng được kiểm soát tốt hơn. Sau đó, tín hiệu lượng tử được mã hóa dựa trên trạng thái yếu, gửi qua cáp quang lên phía máy chủ, cuối cùng thực hiện giao thoa và đo lường photon đơn. Cấu trúc mạng hoàn chỉnh như hình 1.

Hình 2: Đặc trưng hiệu suất chính của chip quang lượng tử tích hợp. a, nguồn sáng micro-comb silicon nitride tại nút máy chủ. b, quang phổ của bộ comb photon tối. c, phổ nhiễu của các răng comb. d, chip phát gửi QKD tích hợp hoàn chỉnh của indium phosphide. e, phạm vi điều chỉnh bước sóng của laser trên chip người dùng. f, điện áp nửa sóng và độ sâu điều chế của bộ điều chế trên chip người dùng.

Hình 2 trình bày các đặc trưng chính của micro-cavity silicon nitride và chip phát gửi QKD. Như hình 2a–c, tự khóa bằng phương pháp tự khóa đã giúp giảm nhiễu pha đáng kể khi tạo ra bộ comb photon tối. Bộ comb hoạt động trong dải tần 1550 nm, phổ tự do khoảng 30 GHz; sau khi khóa, phổ nhiễu của các răng comb đạt mức khoảng 13 Hz^2Hz^-1, độ rộng dòng chảy khoảng 40 Hz, thể hiện tính liên kết cao, có thể duy trì liên tục hơn 12 giờ. Hình 2d là cấu trúc thiết kế và hình ảnh thực tế của chip phát gửi QKD indium phosphide tại nút người dùng. Phạm vi điều chỉnh của laser tích hợp trên chip, như hình 2e, cho phép cao độ sao chép pha và tần số của nguồn sáng micro-comb khi được khóa, độ rộng dòng chảy đạt mức tương đương. Các kết quả thử nghiệm của 120 bộ điều chế pha trên 20 chip người dùng cho thấy điện áp nửa sóng trung bình khoảng 5.8 V, tỷ lệ tiêu sáng giao thoa vượt quá 33 dB, trong đó 117 thiết bị hoạt động bình thường, tỷ lệ thành công đạt 97.5%. Đáng chú ý, nghiên cứu còn chứng minh rằng micro-cavity silicon nitride và chip phát gửi QKD thể hiện tính nhất quán cao và tỷ lệ thành công lớn trong quy trình chế tạo wafer, cho thấy công nghệ này có tiềm năng sản xuất quy mô lớn, chi phí thấp, rất quan trọng để xây dựng mạng lưới truyền thông lượng tử quy mô lớn.

Hình 3: Kết quả thực nghiệm mạng chip QKD đa người dùng TF-QKD. a, b, c, biến động pha trong kênh quang dài. d, e, tỷ lệ lỗi bit. f, g, hiệu suất mã cuối cùng của 20 chip người dùng.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mạng lượng tử hợp tác nhiều chip, cho phép nhiều người dùng vận hành song song gửi và không gửi theo giao thức TF-QKD. Bằng cách giới thiệu phương pháp theo dõi pha hai bước sóng, mặc dù ánh sáng tham khảo (hình 3a) và ánh sáng lượng tử (hình 3b) trải qua biến động pha nhanh trong liên kết quang dài, nhưng do cả hai cùng truyền trong cáp quang và xuất phát từ nguồn sáng micro-comb có tính liên kết cao, pha tương đối giữa các bước sóng chỉ trôi dần chậm (hình 3c), do đó có thể thực hiện hiệu quả bù pha tín hiệu lượng tử bằng cách theo dõi ánh sáng tham khảo. Nhóm đã đánh giá hệ thống truyền nhiều bước sóng qua cáp quang cùng dây, kiểm soát nhiễu tuyến tính và phi tuyến như nhiễu Raman, và qua tối ưu hóa bộ lọc, giảm mức nhiễu xuống gần mức đếm tối thiểu của bộ phát hiện. Cuối cùng, hệ thống đã vận hành ổn định với tỷ lệ lỗi thấp trong các liên kết uplink 204 km và 370 km (hình 3d, e), và tại 370 km đã vượt qua giới hạn tỷ lệ mã tuyến tính không có trung gian (PLOB bound), nâng cao tối đa 251.4% so với giới hạn lý thuyết (hình 3f, g). Ngoài ra, trong điều kiện liên kết downlink dài hơn (tương đương với vòng quang khép kín dài 490 km), hệ thống vẫn duy trì theo dõi pha ổn định và thực hiện mã an toàn, chứng minh tính khả thi của phương án trong mạng lưới lượng tử thực tế.

(Nguồn: Tài Liên Xã)