近日，中国科大潘建伟、徐飞虎等与中山大学、上海交通大学等单位的科研人员合作，通过发展氮化硅与薄膜铌酸锂混合集成光子学芯片，实现了基于双场量子密钥分发（TF-QKD）协议的芯片化量子通信网络，在最远540公里光纤距离下获得超越无中继密钥容量的安全成码率。相关研究成果于6月19日在线发表于国际知名物理学期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）。

量子密钥分发（QKD）能够使得两个远距离的用户之间共享信息理论安全性的密钥，结合一次一密等加密方式，可以确保原理上无条件安全的通信。近年来提出的双场量子密钥分发协议可以突破QKD成码率的线性界限，极大地拓展了QKD的传输距离，为实现远距离光纤量子通信网络提供了重要方案。然而，TF-QKD技术要求苛刻，需要两个远程独立激光器的单光子干涉，光源频率微小偏差以及光纤链路波动等都会降低单光子干涉的质量。因此，TF-QKD的实际应用面临很高的系统复杂度，限制了其网络化部署能力，是量子通信大规模应用的瓶颈之一。

图1 氮化硅与薄膜铌酸锂混合集成光子芯片

针对上述难题，研究团队发展了实现TF-QKD的混合集成芯片化发送端（图1）。该发送端由基于高品质因子氮化硅（Si3N4）微环谐振腔的自注入锁定激光器芯片，以及集成多个强度调制器、相位调制器和可变光衰减器的薄膜铌酸锂（TFLN）光子集成芯片组成。其中，片上激光器实现了100 Hz的窄线宽输出，薄膜铌酸锂调制器实现了25 GHz的调制带宽、2.6 V的半波电压和34 dB的消光比，能够满足TF-QKD对于光源相干性和量子态调制的严格要求。在网络结构方面，研究团队进一步提出了量子叶脊网络架构（图2）。该网络由用户层、叶层和脊层组成，用户通过发送端接入网络，并通过叶层与脊层中的光开关和测量单元进行量子信号的路由和测量，从而实现城域城际间不同用户间的灵活切换与连接，提高量子通信网络的用户容量、可扩展性和鲁棒性。

图2 四用户集成芯片化量子密钥分发网络系统图

在上述技术基础上，研究团队构建了四用户芯片化TF-QKD网络，分别在40公里和403公里距离的光纤中演示了不同用户配置的连接（图3）。进一步，研究团队在总损耗91.5 dB的540公里超低损耗光纤链路中实现2.93 bps的安全成码率，超越无中继密钥容量9倍。此外，基于实验参数的网络性能模拟表明，该网络在50公里光纤距离下可支持超过50名用户进行高质量视频通话。该工作结合光子集成芯片技术和可扩展量子通信网络架构，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，为未来构建大规模、低成本、可扩展的量子通信网络奠定了重要基础。

图3 量子密钥分发网络实验成码率结果图

该论文共同第一作者是张立康、潘嘉威、陈腾云、黎正平。该研究工作受到了国家科技重大专项、国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、安徽省、上海市和新基石基金会等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01944-w

（物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）