Recentemente, a equipa de investigação científica chinesa alcançou novos progressos no campo da comunicação quântica. As equipas de Pan Jianwei e Xu Feihu, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, em colaboração com a Universidade Sun Yat-sen, a Universidade Jiao Tong de Xangai e outras instituições, realizaram uma rede de comunicação quântica chipizada de longa distância baseada no protocolo de distribuição quântica de chaves de dois campos, obtendo uma taxa de codificação segura que supera a capacidade de chave sem repetidor numa distância de fibra ótica de até 540 km.

A distribuição quântica de chaves permite que utilizadores distantes partilhem chaves de segurança teórica da informação. Combinada com o método de criptografia de bloco único, pode, em princípio, realizar comunicação incondicionalmente segura. O protocolo de distribuição quântica de chaves de dois campos pode superar a limitação da taxa de codificação tradicional, que diminui linearmente com a distância, sendo uma importante rota tecnológica para realizar redes de comunicação quântica de fibra ótica de longa distância. No entanto, este protocolo exige elevada coerência da fonte de luz, estabilidade do enlace e precisão de controlo do sistema, tornando a sua implementação prática bastante desafiadora.

Figura 1 Chip fotónico integrado híbrido de nitreto de silício e niobato de lítio em filme fino

A principal inovação desta investigação reside no transmissor chipizado. A equipa de investigação desenvolveu um chip fotónico integrado híbrido de nitreto de silício e niobato de lítio em filme fino, combinando um chip laser de auto-injeção bloqueada baseado num microrressonador de nitreto de silício de alto fator de qualidade com um chip fotónico integrado de niobato de lítio em filme fino que integra múltiplos moduladores de intensidade, moduladores de fase e atenuadores óticos variáveis. O laser no chip alcança uma saída de largura de linha estreita de 100 Hz, enquanto o modulador de niobato de lítio em filme fino atinge uma largura de banda de modulação de 25 GHz, uma tensão de meia onda de 2,6 V e uma taxa de extinção de 34 dB.

Em termos de arquitetura de rede, a equipa de investigação propôs uma estrutura de rede quântica em folha e espinha dorsal (quantum leaf-spine). Esta estrutura é composta por uma camada de utilizador, uma camada de folha e uma camada de espinha dorsal. Os utilizadores acedem à rede através de transmissores chipizados, e o encaminhamento e a medição dos sinais quânticos são realizados através de comutadores óticos e unidades de medição. Em comparação com testes de enlace único, esta estrutura aproxima-se mais das necessidades reais de uma rede de comunicação quântica, podendo aumentar a capacidade de acesso de utilizadores, a escalabilidade da rede e a flexibilidade de conexão.

Figura 2 Diagrama do sistema de rede de distribuição quântica de chaves integrada chipizada para quatro utilizadores

Na experiência, a equipa de investigação construiu uma rede de distribuição quântica de chaves de dois campos chipizada para quatro utilizadores, demonstrando conexões de diferentes configurações de utilizadores em distâncias de fibra ótica de 40 km e 403 km, respetivamente. Numa experiência adicional, o sistema alcançou uma taxa de codificação segura de 2,93 bps num enlace de fibra ótica de perda ultrabaixa de 540 km com uma perda total de 91,5 dB, superando a capacidade de chave sem repetidor em 9 vezes.

Este resultado também incluiu simulações de desempenho da rede. Com base nos parâmetros experimentais, a rede quântica em folha e espinha dorsal pode suportar mais de 50 utilizadores em chamadas de vídeo de alta qualidade a uma distância de fibra ótica de 50 km. Isto demonstra que a rede de comunicação quântica chipizada não só valida a capacidade de transmissão de longa distância, mas também revela o seu potencial de expansão para futuras redes quânticas metropolitanas com múltiplos utilizadores.

Figura 3 Gráfico de resultados da taxa de codificação experimental da rede de distribuição quântica de chaves

A importância deste resultado reside na combinação da tecnologia de chips fotónicos integrados com a arquitetura de redes de comunicação quântica de longa distância. Os sistemas de comunicação quântica tradicionais geralmente apresentam problemas como grande volume de equipamento, alto custo e elevada complexidade do sistema. A abordagem chipizada ajuda a promover a miniaturização, estabilização e redução de custos do transmissor, fornecendo uma base técnica para a implantação futura de redes de comunicação quântica em larga escala.

No entanto, este resultado ainda se encontra na fase de validação científica. Para avançar para aplicações em maior escala no futuro, será necessário continuar a resolver questões como a consistência dos chips, a engenharia do sistema, a operação estável a longo prazo, a gestão da rede, as interfaces padrão e o suporte da cadeia industrial. Especialmente em redes metropolitanas e interurbanas reais, a transmissão de sinais quânticos enfrentará condições complexas, como flutuações ambientais, perdas de enlace, agendamento de nós e manutenção de equipamentos.

Os pontos de observação subsequentes concentrar-se-ão no progresso da engenharia do transmissor chipizado, no desempenho operacional da rede quântica em folha e espinha dorsal após a expansão do número de utilizadores, na capacidade de compatibilidade com as redes de comunicação de fibra ótica existentes e se esta tecnologia entrará em redes experimentais de comunicação quântica metropolitana. Se a validação subsequente progredir sem problemas, a rede de comunicação quântica chipizada de longa distância poderá tornar-se uma importante direção tecnológica para infraestruturas de comunicação segura.