长期以来,量子通信被视为提升信息安全能力的重要方向。
量子密钥分发因可在物理层面提供安全保障而备受关注,其中双场量子密钥分发兼具较强安全性与远距离传输潜力,已在点对点场景中实现千公里级光纤密钥分发。
但从点对点走向可承载更多用户的网络化应用,仍面临系统复杂、稳定性要求极高、规模扩展困难等瓶颈,制约了技术从实验室走向工程化部署。
问题集中体现在“双场”方案对远端独立光源之间的单光子干涉稳定性要求极高。
实现稳定干涉不仅需要对光源噪声进行严格抑制,还需对全局相位进行高精度锁定与实时追踪。
过去较多实验依赖体块器件或分立光纤器件搭建,设备体量大、调试维护成本高,网络结构多停留在两用户点对点形态;一旦用户数增加或链路拉长,误差累积与环境扰动会显著放大,系统稳定运行难度随之上升。
换言之,传统实现路径在可复制性与可扩展性方面存在天然短板。
针对上述痛点,芯片化集成被普遍认为是突破方向之一。
其核心逻辑在于:通过将光源、调制、编码、解码等关键功能在芯片上集成,减少光路连接与器件离散带来的不确定性,从系统层面提升一致性与可维护性,同时为规模制造和成本下降打开空间。
在这一思路下,科研团队围绕“统一基准”和“端侧集成”两条主线推进:一方面在网络服务器端提供稳定、低噪声的相干光源作为统一频率基准;另一方面在用户端把量子密钥发送所需的核心功能集成到单芯片平台,实现一体化、小型化的终端能力。
据介绍,团队研制的服务器端光学微腔光频梳光源芯片,可输出超低噪声相干光源,为网络提供统一“频率基准”,从源头上增强多用户同步与稳定干涉的可实现性;用户端量子密钥发送芯片则将激光器、调制器以及密钥编解码等关键环节集成,减少系统外部器件依赖,使用户侧设备更接近工程化形态。
在两类核心芯片支撑下,“未名量子芯网”实现多用户并行运行,可支持20个芯片用户同时通信,并实现任意两用户之间最长370公里的密钥分发距离,网络组网能力提升至3700公里,突破了无中继条件下的组网能力边界。
这一进展带来的影响主要体现在三个层面。
其一,技术上验证了集成光量子芯片能够支撑量子密钥分发网络的规模扩展,推动量子通信从“单链路可行”走向“网络级可用”。
其二,工程上通过芯片化集成降低系统复杂度,有助于提升设备一致性、可部署性与维护效率,为后续在更多应用场景开展试验示范提供了更可复制的技术底座。
其三,产业化层面,若芯片在晶圆级制备中保持较高均一性与良率,将为低成本批量制造创造条件,进一步改善量子通信网络建设的成本结构与供给能力。
面向下一步发展,仍需在标准体系、工程验证与应用牵引上同步发力。
一方面,应围绕芯片化量子密钥分发网络的接口规范、测试评估方法、运行维护流程等形成更系统的工程标准,提升跨设备、跨系统的兼容性与可扩展性;另一方面,需要在更复杂环境下开展长期稳定性验证,包括温漂、振动、链路扰动等现实因素下的鲁棒性评估,并推动与现有光纤基础设施的协同部署方案。
同时,在应用侧可优先聚焦对高等级安全通信需求强、网络结构清晰的场景,通过示范工程形成可量化的安全与成本收益评估,促进技术迭代与生态成熟。
从前景看,量子通信的规模化落地既依赖关键器件能力的跃升,也取决于系统集成与制造体系的完善。
芯片网络路线若能持续提升集成度、降低成本并保持长期稳定运行,有望推动量子安全能力从特定专线向更广泛的网络化服务拓展。
与此同时,量子通信与其他量子信息方向之间的协同也值得关注:在同一制造与封装体系下探索不同量子芯片的联动,将为构建更集成、更实用的量子信息技术体系提供新的可能。
在全球量子科技竞争日趋激烈的背景下,"未名量子芯网"的诞生不仅验证了芯片化量子技术的可行性,更开创了通信安全领域的新纪元。
随着我国量子科技"十四五"规划深入实施,这项突破性研究有望催生新一代信息安全基础设施,为数字经济筑牢"量子防线"。
正如研究者所言,当量子芯片遇见通信网络,一场深刻的信息技术变革正在到来。