科技财经时报2026年02月12日 14:13消息，北京大学科研团队成功构建首个大规模量子通信芯片网络。
北京大学物理学院官方微信公众号于2月12日发布消息，该院现代光学研究所王剑威教授与龚旗煌教授团队，联合电子学院常林研究员团队，在国际顶级学术期刊《自然》上发表了题为“基于集成光量子芯片的大规模量子通信网络”的突破性研究成果。这一成果标志着我国在量子通信领域又迈出了重要一步，展现了在该前沿科技领域的强大科研实力与创新能力。
研究团队成功研发出全功能集成的高性能量子密钥发送芯片与光学微腔光频梳光源芯片，并基于此构建了全球首个基于集成光量子芯片的大规模量子密钥分发网络——“未名量子芯网”。该量子网络支持20个芯片用户并行通信，两两通信距离达370公里，突破无中继传输的限制，组网能力（客户端对数×通信距离）达到3700公里，在芯片用户规模与组网能力方面均处于国际领先水平。 这一成果标志着我国在量子通信领域实现了关键性技术突破，展现了强大的自主创新能力。在当前国际竞争日益激烈的背景下，这样的进展不仅提升了我国在量子科技领域的影响力，也为未来信息安全提供了更加坚实的保障。随着技术的进一步成熟和应用拓展，量子通信有望在更多场景中发挥重要作用，推动整个行业向更高层次发展。
研究还进一步验证了基于磷化铟和氮化硅的材料体系在光量子芯片制造中的优越性，具备晶圆级加工的高良率、高性能与强扩展性特点，为实现低成本、大规模制备奠定了工艺基础。此项突破为未来建设覆盖更远距离、容纳更多用户、支撑更大规模的实用化量子保密通信网络提供了坚实的芯片级解决方案。
量子密钥分发基于量子力学原理，可实现理论上无条件安全的通信。我国在量子卫星密钥分发及天地一体化量子网络方面已取得一系列重大成果，处于全球引领地位。其中，双场量子密钥分发（TF-QKD）兼具测量设备无关的安全性与超长距离传输优势，我国科学家已实现光纤中千公里级点对点密钥分发。该协议天然适用于星型网络架构，可集中配置昂贵的超导单光子探测资源于中心节点，大幅降低用户端成本，被视为实现规模化量子通信网络的重要方案之一。然而，TF-QKD的实现高度依赖远程独立激光源之间稳定的单光子干涉，对光源噪声抑制及全局相位的高精度锁定与追踪提出了极高要求，现有实验大多仍基于体块或分立光纤器件，且多数为两用户点对点系统。
量子密钥分发芯片（QKD芯片）是推动量子通信系统实现小型化、设备实用化和网络规模化的重要方向之一。自2004年日本NTT首次提出集成量子密钥分发芯片的概念以来，过去二十多年间，QKD芯片及其相关器件的功能不断丰富，性能持续提升。北京大学研究团队在该领域长期深入研究，已取得多项国际领先的成果，包括两芯片间的量子纠缠分发与量子隐形传态[Nature Physics 16, 148(2020)]、多芯片间的高维纠缠量子网络[Science 381, 221(2023)]，以及适用于空间光量子通信的涡旋光纠缠芯片[Nature Photonics 19, 471(2025)]等。自2019年起，实验室团队持续开展QKD芯片及量子网络相关研究，经过六年多的技术积累与攻关，最终在基于光量子芯片的双场量子密钥分发网络方面取得重要突破，实现了面向多用户、长距离、大规模量子通信网络的系统性进展。
在典型的TF-QKD应用中，需要在各用户间分发频率与相位基准，以建立远程独立激光器之间的相干性，安全密钥通过不可信节点处的单光子干涉获得。研究团队采用波分复用技术构建大规模量子通信网络，使各网络用户能并行发送量子信号。信号经长距离光纤传输至中心服务器节点后，完成解复用、干涉与单光子探测，从而提取安全密钥。传统基于分立光学器件的多波长、多用户系统架构极为复杂，而集成光子技术为实现系统小型化与高稳定性提供了可行路径。本工作中，研究团队在中心服务器节点采用高品质因子氮化硅光学微腔频率梳作为种子光源阵列，通过自注入锁定方式在通信波段产生线宽达赫兹量级的超低噪声相干暗脉冲频率梳，无需复杂的电子控制系统或桌面级激光器。该频率梳的梳状谱线经下行光纤分发至各用户节点并完成解复用。用户端采用了20个独立的磷化铟光量子芯片，每个QKD芯片单片集成了激光器、调制器、衰减器、密钥编码与解码器件等全部关键功能模块，实现了晶圆级制造、高良率、低成本、高性能的QKD用户芯片解决方案。通过光频梳种子光对用户端本地激光器进行注入锁定，其相位噪声被显著抑制。随后，系统基于弱相干态完成量子态编码，编码后的信号经上行光纤发送至服务器端，最终实现单光子干涉与测量。完整的网络架构如图1所示。
图2展示了微腔光梳芯片与QKD发送芯片的核心性能指标。如图2a–c所示，通过自注入锁定技术，在生成暗脉冲频率梳的同时有效抑制了相位噪声。该频率梳工作在1550nm通信波段，自由光谱范围为30GHz；锁定后，梳齿频率的噪声功率谱密度白噪声基线约为13Hz²Hz⁻¹，对应的短时线宽约为40Hz，表现出出色的相干性，并可稳定连续运行超过12小时。图2d展示了用户端磷化铟QKD发送芯片的结构设计及电学封装后的实物图。片上集成的分布式布拉格反射器（DBR）激光器在注入锁定条件下的调谐范围如图2e所示，其频率和相位能够高度复现种子光，线宽达到相近水平。对20个用户芯片上的120个相位调制器（构成60个强度调制器）进行测试，结果显示平均半波电压约为5.8V，干涉消光比超过33dB，其中117个器件工作正常，良品率达97.5%。值得一提的是，该研究还验证了微腔光梳芯片与QKD发送芯片在晶圆级工艺下具有高度一致性与高良率，表明该技术路线具备低成本大规模制造的潜力，对构建大规模量子通信网络具有重要价值。
研究团队进一步构建了多芯片协同的量子网络，实现了多用户并行运行的“发送–不发送”TF-QKD协议。通过引入双波长信道相位追踪方案，尽管参考光（图3a）与量子光（图3b）在长距离光纤中面临快速相位涨落，但由于两者共纤传输且源自高度相干的光频梳，不同波长间的相对相位变化较为缓慢（图3c），因此可通过监测参考光实现对量子信号相位的有效补偿。团队还系统评估了多波长共纤传输带来的线性串扰和非线性拉曼噪声，并通过优化滤波方案将噪声水平降低至接近探测器暗计数水平。最终，系统在204公里和370公里上行链路条件下均实现了低误码率运行（图3d、e），并在370公里处突破了无中继线性码率极限（PLOB bound），相对理论上限提升最高达251.4%（图3f、g）。此外，在更长的下行链路条件下（等效于构成总长490公里的闭环光纤马赫–曾德尔干涉仪），系统仍保持稳定的相位追踪并实现安全成码，验证了该方案在实际量子网络中的可行性。 从技术角度看，这一成果标志着量子通信在长距离传输和多用户协同方面取得了重要进展。尤其是在面对复杂光纤环境下的相位稳定性问题时，团队提出的双波长相位补偿机制具有显著创新性。同时，系统在接近理论极限的情况下仍能保持稳定运行，表明我国在量子通信基础研究和工程应用方面已具备较强的国际竞争力。未来，随着技术进一步成熟，这类方案有望为构建广域量子网络提供关键支撑。
