北京大学物理学院王剑威、龚旗煌、常林团队实现首个大规模量子通信芯片网络

2026年2月11日，物理学院现代光学研究所王剑威教授、龚旗煌教授团队与电子学院常林研究员团队在《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》（“Large-scale quantum communication networks with integrated photonics”）的突破性研究成果。研究团队成功研制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公里并打破无中继界限，组网能力（客户端对数×通信距离）达3700公里，在芯片用户规模与组网能力上均达到国际领先水平。

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。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，且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）是实现量子通信系统小型化、设备实用化和网络规模化的重要路径之一。自2004年提出集成量子密钥分发芯片概念以来，过去20余年间，QKD芯片与器件的功能不断完善、性能持续提升。北京大学团队在该领域长期深耕，前期已实现多项国际领先成果，包括两芯片间量子纠缠分发与量子隐形传态（Nature Physics 2020）、多芯片间量子纠缠网络（Science 2023）、面向空间光量子通信的涡旋光纠缠芯片（Nature Photonics 2025）。

图1 基于光量子芯片的“未名号”大规模量子密钥分发网络

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产生线宽达赫兹量级的超低噪声相干暗脉冲频率梳，频率梳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功能模块，实现了晶圆级制造、高良率、低成本、高性能的QKD芯片解决方案。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。

图2 集成光量子芯片性能表征

图2系统展示了微腔光梳芯片与QKD发送芯片的关键性能。频梳工作于1550nm通信波段，锁定后梳齿频率噪声功率谱密度的白噪声基线约为13Hz²Hz^-1，对应短时线宽约40Hz，展现出优异的相干性。片上集成分布式布拉格反射器激光器具有调谐范围，在注入锁定条件下，其频率与相位可高度复制种子光，线宽达到相当水平。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）测试结果显示，干涉消光比超过33dB，其中117个器件性能正常，良率达97.5%。研究团队进一步搭建了多芯片协同的量子网络，实现多用户并行运行发送-不发送TF-QKD协议。系统在204公里和370公里上行链路条件下均实现低误码率运行，并在370公里处突破无中继线性码率极限，相对理论上界提升最高达251.4%。

图3 多用户TF-QKD芯片网络实验结果

北京大学物理学院博士后郑赟、2022级博士研究生王涵与、博士后贾新宇、电子学院2024级博士研究生黄佳辉、博士后袁慧宏为文章共同第一作者。郑赟、常林、王剑威为共同通讯作者。主要合作者还包括北京邮电大学特聘研究员石泾波，埃因霍芬理工大学副教授焦雨清，北京大学物理学院教授龚旗煌、李焱，电子学院教授王兴军，浙江大学教授戴道锌、时尧成，北京量子信息科学研究院首席科学家袁之良等。