2026年2月11日，电子学院常林研究员团队与北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授、龚旗煌教授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”（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光学微腔光频梳光源芯片与高性能量子密钥发送芯片，并在此基础上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”。该网络包含20个用户量子芯片节点与1个服务器芯片节点，总通信距离达3700公里，在芯片用户规模与空间跨度上均达到国际领先水平。研究还进一步验证了基于氮化硅和磷化铟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。
论文截图
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。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。
在网络中心节点，电子学院常林团队主导研制了基于氮化硅材料的高品质因子微腔光频梳芯片。通过优化100nm薄氮化硅的生产加工工艺降低波导传输损耗，结合分布反馈式激光器（DFB）与微腔直接耦合实现自注入锁定暗脉冲频率梳的产生，同时显著抑制相位噪声。该频梳工作于1550 nm通信波段，自由光谱程为30 GHz，线宽约达到了40 Hz量级，展现出优异的相干性，并可稳定连续运行超过12小时。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在图2d给出。片上集成分布式布拉格反射器（DBR）激光器的调谐范围如图2e所示，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。值得强调的是，该研究还证明了微腔光梳芯片与QKD发送芯片在晶圆级工艺下表现出高度一致性与高良率，表明该技术路线具备低成本规模化制造潜力，对构建大规模量子通信网络具有关键意义。
图1 基于光量子芯片的“未名号”大规模量子密钥分发网络
a 双场量子密钥分发芯片网络架构 b 20个QKD芯片和微梳光源芯片实物照片
图2 集成光量子芯片关键性能表征
a 服务器端氮化硅微腔光频梳种子激光光源芯片 b 暗脉冲光频梳光谱 c 光频梳各梳齿的频率噪声功率谱密度 d 全集成的磷化铟QKD用户发送端芯片 e 用户端本地片上激光器的波长调谐范围 f 用户端片上调制器半波电压与调制深度
图3 多用户TF-QKD芯片网络实验结果
a,b,c 长光纤信道中的相位涨落 d,e 误码率情况 f,g 20个QKD芯片用户最终成码表现
团队构建了20个用户同时运行的多波长并行网络架构。通过波分复用技术，不同用户可以同时发送量子信号。最终，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%。此外，在更长的下行链路条件下，系统仍保持稳定相位追踪并实现安全成码，验证了方案在实际量子网络中的可行性。本工作在国际上首次实现了基于QKD芯片的量子网络，完成了芯片设计、光源工程、信号调控、噪声管理和网络架构全部协同优化。同时这也是自2004年QKD芯片概念提出以来，首个发表于《自然》或《科学》正刊的该领域研究成果。
电子学院常林研究员团队长期从事光电子芯片集成、微腔光频梳、先进光通信与光电系统方向研究，在氮化硅、高相干光源工程以及大规模光子系统构建方面形成系统技术积累。团队依托北京大学电子学院光子传输与通信国家重点实验室等科研平台，持续推动光子芯片技术从基础研究走向系统应用。电子学院团队在光电子芯片集成与先进制造方面的积累，为此次突破提供了坚实支撑，也展现了产学研协同创新在攻克前沿技术难题中的重要作用。
北京大学物理学院国家博新计划入选者、博雅博士后郑赟，2022级博士研究生王涵与，国家博新计划入选者、博雅博士后贾新宇，电子学院2024级博士研究生黄佳辉，物理学院博士后袁慧宏（现为北京量子信息科学研究院助理研究员）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；北京大学物理学院博士研究生翟翀昊、刘金昌、茆峻、戴天祥（现为香港大学博士后）、傅兆瑢，本科生代君豪（现为宾夕法尼亚大学博士研究生）；北京大学电子学院博士研究生庄敏学，博士后张磊、张绪光。
本项研究工作得到了国家自然科学基金、“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、北京市自然科学基金、何享健青年科学家项目、中国博士后科学基金、国家博士后创新人才支持计划，以及北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室、北京量子信息科学研究院、山西大学极端光学协同创新中心、北京大学纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院、合肥国家实验室等的大力支持。
论文原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10152-z
