电子科技大学、天府绛溪实验室等，光学顶刊！

5月12日，由电子科技大学、天府绛溪实验室、合肥国家实验室、西南技术物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学技术大学组成的研究团队在Light:Science&Applications期刊上发表题为「Quantum entanglement network enabled by a state-multiplexing quantum light source」（由态复用量子光源实现量子纠缠网络）的研究论文。

具有全连接特性的波分复用量子网络在量子信息技术中发挥着日益关键的作用。现有基于纠缠分发的网络架构中，纠缠光子对源需向多用户分配量子纠缠资源。尽管该技术已取得显著进展，但传统方案需要消耗 (N²)量级的波长通道连接N个用户，受限于有限频谱资源，其可扩展性面临严峻挑战，阻碍了实际应用场景的进一步发展。

本研究提出一种基于态复用量子光源的波分复用纠缠网络新架构。通过双泵浦配置方案，在氮化硅微环谐振器芯片上实现了多波长通道的状态复用光子对生成，验证了该方法的可行性。实验证明：仅需六个波长通道即可构建四用户全连接网络，在完全保留安全通信功能与性能的前提下，节省了50%的波长资源。利用分发的量子态执行BBM92协议，系统获得的总渐近安全密钥率达1946.9 bps。该网络拓扑架构通过显著降低基础设施需求，展现出构建可扩展量子网络的巨大潜力。

背景介绍

随着研究的不断深入，人们对量子网络的构建和应用提出了更高的要求。作为一种理想的网络架构，全连接量子网络能够让每个用户与其他所有用户同时共享量子相关性，实现量子信息和量子安全密钥的自由交换，具有极高的灵活性和可靠性。然而，实现全连接量子网络面临诸多挑战，其中有限的频谱资源成为了制约其发展的关键因素。

在传统的基于波长复用的全连接量子网络中，连接N个用户需要 (N²)个波长通道，这使得在实际应用中，由于光子对源的频谱资源有限，可连接的用户数量受到极大限制。为了解决这一问题，科学家们不断探索新的技术和方法。本研究旨在通过创新的态复用量子光源方案突破现有技术瓶颈，为构建更高效、更可扩展的量子纠缠网络提供新的思路和途径。

理论方法

态复用量子光源原理

论文提出的态复用量子光源方案基于三阶非线性光学过程。通过使用两个激光器泵浦三阶非线性光学器件，能够同时激发一个非简并和两个简并的自发四波混频（SFWM）过程。在这种情况下，不同频率的光子之间会产生特定的关联和纠缠。例如，当泵浦激光的频率分别为ω_p1和ω_p2时，在2ω_p1、2ω_p2和ω_p1+ω_p2的泵浦配置下，会产生相关联或纠缠的光子对。对于某一波长ω₂的光子，它可以与另外三个波长ω₁、ω₃和ω₄的光子形成纠缠态，从而在同一波长上实现三个量子态的复用，大大提高了波长资源的利用效率。

量子网络架构设计

基于态复用量子光源，构建了全新的量子网络架构，该网络分为物理层和通信层。

图1 | 量子网络示意图，采用态复用量子光源。

物理层包括中央量子网络服务提供商（QNSP）、光纤链路和用户硬件。QNSP负责生成和分发量子态，其中态复用量子光源和解复用/多路复用单元是核心组件。用户硬件则由光束分离器（BS）、两个非平衡迈克尔逊干涉仪（UMIs）和四个单光子探测器（SPDs）组成，用于测量光子的状态。通信层实现了所有用户之间的全连接，支持纠缠分发、量子信息交换和安全通信。在这个网络中，用户通过特定波长的光子对建立连接，利用态复用技术，显著减少了实现全连接所需的波长通道数量。

量子密钥分发理论

在量子密钥分发方面，论文采用了BBM92协议。该协议基于纠缠光子对的特性，通过对光子状态的测量和比对，实现安全密钥的生成。在实际应用中，需要考虑量子比特错误率（QBER）和渐近安全密钥率（SKR）。QBER反映了量子比特传输过程中出现错误的概率，而SKR则衡量了密钥生成的安全性和效率。通过理论分析，得出SKR的计算公式，为评估量子密钥分发的性能提供了理论依据。

实验方案

实验采用了光纤尾纤氮化硅微环谐振器（MRR）芯片，其自由光谱范围（FSR）约为200GHz，品质因数约为10647。使用两个独立的连续波可调谐激光器，波长分别为1550.12nm（ITU通道C34）和1540.56nm（ITU通道C46）。通过可变光衰减器（VOA）调整激光功率，利用90:10的光束分离器和功率计进行功率监测。使用偏振控制器将激光偏振调整到与波导的TE00模式匹配。为了抑制激光的边带噪声和光纤中产生的拉曼光子，在微环谐振器芯片前使用了两个高隔离度（>120dB）的密集波分复用器（DWDMs）。泵浦光经过复用后注入芯片，在芯片输出端，通过两个隔离度>50dB的DWDMs滤除残留的泵浦激光。

图2：双泵浦产生相关光子对的实验装置图。

在实验中，两个泵浦激光共同作用于氮化硅微环谐振器芯片，激发自发四波混频过程，产生态复用光子对。这些光子对经过DWDMs筛选后，由超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）进行探测，并通过时间数字转换器（TDC）记录数据。为了表征生成光子的量子相关特性，选择ITU通道C38作为公共波长，测量与其相关联的C30、C42和C54通道光子的单端计数率、符合计数率和符合与偶然比（CAR）。通过改变泵浦功率，观察这些参数的变化，以分析光子对的生成效率和相关性。

利用生成的态复用量子光源，进行了四用户量子密钥分发实验。四个用户（Alice、Bob、Charlie和Dave）通过C38、C42、C54/C50和C30/C26波长的光子对建立连接。实验中，使用六个DWDMs进行解复用，两个DWDMs进行复用。根据BBM92协议，对不同用户之间的量子比特错误率（QBER）和渐近安全密钥率（SKR）进行分析。通过测量不同泵浦功率下的相关参数，找到最优泵浦功率，以实现最佳的量子密钥分发性能。

研究成果

通过态复用量子光源方案，成功实现了四个用户之间的全连接图，仅使用了六个波长通道，相比之前的方案节省了一半的波长通道，在不牺牲安全通信功能和性能的前提下，有效解决了波长资源受限的问题，为构建大规模量子网络提供了更可行的方案。

图3：双泵浦状态下量子光源的实验结果。

实验成功生成并表征了双泵浦态复用量子光源。测量结果显示，非简并情况下的符合计数率和CARs高于简并情况，这与理论预期相符。通过Franson干涉实验验证了态复用量子光源的能量-时间纠缠特性，对于β=π/4，C30&C38、C38&C42和C38&C54的原始可见度分别达到87.1±0.5%、98.2±0.2%和90.4±0.6%，证明了该光源在量子纠缠方面的良好性能。

图4 | 使用开发的态复用量子光源进行量子密钥分发的实验结果。

在四用户量子密钥分发实验中，通过执行BBM92协议，获得了总渐近安全密钥率为1946.9bps的结果，且不同用户对之间的密钥率有所差异。其中Alice和Bob之间的性能最佳，这得益于高效的光子生成和低噪声的波长配置；而Bob和Dave之间的性能相对较差，主要是因为C30波长的光子在该情况下被视为噪声。总体而言，该方案不仅实现了安全通信，还在节省波长通道的同时提高了密钥分发效率。

这项研究为量子纠缠网络的发展开辟了新的道路。态复用量子光源的应用为解决量子网络中的波长资源问题提供了有效途径，其研究成果对于推动量子信息科技向实用化、规模化发展具有重要意义。

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-025-01805-1

来源：光子盒，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。