量子通信新纪元：芯片化网络突破540公里密钥传输[并不简单]

成果发布

• 6月20日消息，据“量子科话”公众号消息，我国科研团队成功实现基于双场量子密钥分发（TF-QKD）协议的芯片化量子通信网络，并在540公里光纤链路中完成安全密钥传输。

合作单位与论文发表

• 该成果由合肥国家实验室、中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等，与中山大学、上海交通大学等单位合作完成，相关论文已发表于国际权威期刊《自然·光子学》。

量子密钥分发原理

• 据了解，量子密钥分发（QKD）可让相距较远的用户共享具备信息理论安全性的密钥，结合“一次一密”等加密方式，能够在原理上实现无条件安全通信。

TF-QKD技术优势

• 其中，TF-QKD可突破传统QKD成码率的线性界限，大幅拓展传输距离，是构建远距离光纤量子通信网络的重要方案。

技术挑战

• 不过，该技术需要让两个相互独立的远程激光器实现单光子干涉，光源频率的微小偏差以及光纤链路波动，均会影响干涉质量。

• 复杂的系统结构也成为制约其网络化部署和规模化应用的瓶颈之一。

研究团队解决方案

• 针对这一难题，研究团队研发出TF-QKD混合集成芯片化发送端，由氮化硅自注入锁定激光器芯片和薄膜铌酸锂光子集成芯片组成。

混合集成光子芯片

• 氮化硅与薄膜铌酸锂混合集成光子芯片

• 其中，片上激光器可实现100Hz窄线宽输出，薄膜铌酸锂调制器则实现25GHz调制带宽、2.6V半波电压和34dB消光比，可满足TF-QKD对光源相干性及量子态调制的严格要求。

量子叶脊网络架构

• 在网络架构方面，团队进一步提出由用户层、叶层和脊层组成的“量子叶脊网络”，通过光开关和测量单元完成量子信号的路由与测量，实现城域、城际不同用户之间的灵活切换和连接。

四用户网络演示

• 基于上述技术，研究团队搭建了四用户芯片化TF-QKD网络，并分别在40公里和403公里光纤链路中完成不同用户配置的连接演示。

四用户网络系统图

• 四用户集成芯片化量子密钥分发网络系统图

540公里链路性能

• 在总损耗达91.5dB的540公里超低损耗光纤链路中，该网络实现2.93bps的安全成码率，达到无中继密钥容量的9倍以上。

模拟结果与应用潜力

• 实验参数模拟结果还显示，在50公里光纤距离下，该网络可支持超过50名用户进行高质量加密视频通话。

成果意义与未来展望

• 据介绍，该成果验证了芯片化发送端在远距离量子通信网络中的应用潜力，为未来建设大规模、低成本、可扩展的量子通信网络奠定了重要基础。#量子通信#