用芯片技术打造的量子通信网络

大规模量子通信网络有望实现众多用户间的长距离安全信息传输。过去几十年，卫星和光纤系统在长距离量子密钥分发（QKD）方面取得了显著里程碑。人们已朝着多种网络模型迈进，例如可信节点网络、点对多点网络和波分复用纠缠网络。同时扩展量子用户数量（N）和通信距离（L）面临巨大挑战，因此需要在协议、架构和硬件方面取得进展。

最近，诸如双场量子密钥分发（TF-QKD）等先进协议被提出以延长通信距离，其密钥率随信道透射率的平方根提升，实验结果已在长达1000公里的距离上突破无中继极限。此外，TF-QKD在测量设备无关（MDI）框架下运行，允许不可信的中心节点，并使共享中心节点上的用户能够共享昂贵资源。因此，这种架构有望构建具有大量用户（N）和长距离（L）的大规模经济高效网络。

TF-QKD的实现依赖于在大型光学干涉仪中实现超稳定的单光子干涉，这需要低噪声激光器和高精度光学相位跟踪。尽管协议方面取得了显著进展，但目前TF-QKD的实现主要局限于点对点通信。TF-QKD网络的实际实现面临重大技术挑战，包括开发许多超低噪声相干激光源、大规模制造性能一致的高性能QKD芯片以确保所有客户端节点的均匀性，以及实现可扩展量子节点操作和量子信道传输的系统级集成，同时与现有相位跟踪兼容。这些共同构成了TF-QKD网络基础设施的基本要求，需要光子集成、制造可扩展性和系统控制方面的同步进展。

在此，我们展示了一个基于集成光子学的用户大规模可扩展长距离TF-QKD网络的原理验证实验室演示，命名为“未明量子芯片网络”。我们的集成光子学QKD网络包括一个在氮化硅（Si₃N₄）平台上集成光学微谐振器频率梳（微梳）的中央服务器芯片，以及20个独立的客户端QKD发射芯片副本，这些芯片基于磷化铟（InP）光子电路单片集成了密钥制备所需的所有关键组件。这些在3英寸InP晶圆上制造的客户端QKD芯片和在4英寸Si₃N₄晶圆上制造的服务器端微梳芯片均表现出高性能、可重复性和操作良率，从而为网络实现提供了可扩展的量子器件。我们利用集成微梳技术——该技术已彻底改变了经典光子学——通过为基于波分复用的网络中的分布式客户端芯片提供大量超低噪声、相位相干的梳状激光器，显著增强了TF-QKD网络的可扩展性和可靠性。我们通过与微梳线对齐的十个波分复用信道在20个客户端芯片之间实现了成对TF-QKD，实现了总网络跨越能力N L/2 = 3700公里（其中N=20，L=370），无需任何可信中继。

TF-QKD网络保留了测量设备无关（MDI）特性，利用不可信资源有效消除了探测器漏洞，并围绕集中式服务器节点维持星型拓扑结构，同时大大延长了通信距离。在典型的TF-QKD中，频率参考在用户节点之间分配以生成相干光脉冲，然后通过在不可信服务器节点的单光子干涉测量来推导安全密钥。基于波分复用的TF-QKD网络能够在使用相同波长的成对客户端之间并行分发密钥。一个城域内的客户端连接到中间节点，通过骨干光纤传输波分复用弱相干脉冲，用于不同区域之间的长距离传输。在服务器端，光脉冲被解复用，在分束器处干涉，并通过单光子探测提取安全密钥。

我们介绍的集成光子学TF-QKD网络中，中央服务器节点的集成光学微梳作为核心，在电信频段生成广泛的超低噪声相干暗脉冲频率梳，线宽达到Hz级。微梳通过半导体激光器自注入锁定到超高品质因数（Q）Si₃N₄微谐振器生成，无需复杂的电子控制和庞大的台式激光器，实现经济高效、紧凑的占地面积和高可扩展性。微梳线通过骨干光纤在网络中分发，并在到达客户端芯片之前在中间节点进行波长解复用。基于InP的TF-QKD客户端发射芯片单片集成了激光器、电光相位调制器、强度调制器和可变光衰减器等所有关键组件。利用注入锁定技术，QKD芯片上原本线宽为MHz级的激光器可以锁定到Hz线宽的梳线，在本地再生低噪声光场，随后执行编码并将波分复用脉冲发送回服务器节点。

集成光子学QKD网络具有独特能力：超低噪声相干暗脉冲微梳提供TF-QKD所需的超低噪声激光器和全局稳定相位参考；宽带等间隔梳线促进大量客户端芯片间的大规模波分复用QKD；全功能QKD发射芯片的高良率制造和微梳芯片的晶圆级可重复性，推动量子网络的可扩展性和可靠性。

集成量子光子技术的进步推动了高速、经济高效、微型化量子通信器件的发展，此前多种QKD协议已通过集成光子学器件实现，但主要限于点对点场景。本研究中，服务器端集成微梳通过InP分布反馈激光器与超高Q值Si₃N₄微谐振器的混合集成实现，发射数十条超低噪声梳线，具有高Q因子、良好色散控制和高稳定性。客户端InP芯片集成所有关键器件，通过注入锁定技术将本地激光器锁定到微梳线，实现约60 Hz的本征线宽，20个随机选择的客户端芯片均能正常工作，显示出大规模集成能力。

我们在该网络中实现了多用户发送-不发送TF-QKD（SNS-TF-QKD）协议，通过双λ方法进行相位跟踪。实验构建了包含20个QKD客户端芯片的实验室规模网络，通过十个波分复用信道链接，成对芯片间顺序执行相位跟踪和密钥分发。客户端芯片通过长达185公里的上行光纤连接到服务器，成对芯片间最大距离370公里，总量子网络能力达3700公里。相位跟踪结果显示，信道噪声导致相位快速波动，但激光噪声被有效抑制，长下行光纤中的相位漂移可通过调整相位校正周期解决。

安全量子密钥在20个客户端芯片间分发，实现了204公里和370公里的光纤信道长度。测量结果显示，204公里的X基量子比特错误率（QBER）为2.87–3.63%，370公里为3.50–4.17%，低QBER源于高TF相干性、精确量子态编码和稳健相位跟踪。370公里距离下，所有TF-QKD均突破Pirandola-Laurenza-Ottaviani-Banchi（PLOB）无中继极限，密钥率提升51.5%至251.4%。

总之，本研究实现的集成光子学QKD网络展示了高可扩展性和可靠性，支持20个客户端芯片，总网络能力超3700公里，每个信道分发的安全密钥突破无中继极限。集成光子学量子器件支持大量用户、延长通信距离、增强网络安全性，未来有望扩展到可现场部署的QKD网络，结合先进集成技术，为构建大规模量子网络奠定基础。