要實現(xiàn)大規(guī)模量子通信，芯片化集成是關(guān)鍵方向。經(jīng)過6年多技術(shù)攻關(guān)，北京大學(xué)教授王劍威、龔旗煌與研究員常林團(tuán)隊研制出兩款核心芯片，成功構(gòu)建全球首個基于集成光量子芯片的大規(guī)模量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)——“未名量子芯網(wǎng)”。相關(guān)論文于北京時間12日刊發(fā)在《自然》上。

雙場量子密鑰分發(fā)（TF-QKD）兼具測量設(shè)備無關(guān)的安全性與超長距離傳輸優(yōu)勢，我國科學(xué)家已實現(xiàn)光纖中千公里級點對點密鑰分發(fā)。然而，TF-QKD的實現(xiàn)高度依賴遠(yuǎn)程獨立激光源之間穩(wěn)定的單光子干涉，對光源噪聲抑制及全局相位的高精度鎖定與追蹤提出了極高要求，現(xiàn)有實驗大多仍基于體塊或分立光纖器件，且多數(shù)為兩用戶點對點系統(tǒng)。

量子密鑰分發(fā)芯片（QKD芯片）是實現(xiàn)量子通信系統(tǒng)小型化、設(shè)備實用化和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化的重要路徑之一。研究團(tuán)隊此次研發(fā)出的兩款芯片，一款是服務(wù)器端的光學(xué)微腔光頻梳光源芯片，能產(chǎn)生超低噪聲的相干光源，為整個網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的“頻率基準(zhǔn)”，保障所有用戶通信的同步性；另一款是用戶端的量子密鑰發(fā)送芯片，將激光器、調(diào)制器、密鑰編解碼等所有關(guān)鍵功能進(jìn)行集成，實現(xiàn)了全功能一體化。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊構(gòu)建了“未名量子芯網(wǎng)”。該網(wǎng)絡(luò)解決了此前量子通信網(wǎng)絡(luò)用戶少、距離有限、設(shè)備復(fù)雜的痛點，可支持20個芯片用戶同時并行通信，任意兩個用戶之間的通信距離能達(dá)到370公里，并打破了無中繼通信的技術(shù)界限，組網(wǎng)能力達(dá)到3700公里，實現(xiàn)了多用戶、長距離的量子通信突破。這一突破讓量子通信向?qū)嵱没?、?guī)?；~出關(guān)鍵一步，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

值得一提的是，團(tuán)隊的光量子芯片在晶圓級制備中具備高度均一性和高良率，有望實現(xiàn)低成本批量生產(chǎn)，對構(gòu)建大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)具有關(guān)鍵意義。

《自然》期刊審稿人認(rèn)為，這是量子芯片與量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的重大突破，其所展示的量子芯片網(wǎng)絡(luò)具備顯著的大規(guī)模擴(kuò)展能力，將對量子通信領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

王劍威表示，這是國際上20余年來首次展示基于光量子芯片的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。團(tuán)隊還將繼續(xù)推動量子通信芯片網(wǎng)絡(luò)與量子計算芯片的融合研究，為構(gòu)建集成化、實用化量子信息技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)。

來源：科技日報