Recientemente, un equipo de investigación chino ha logrado nuevos avances en el campo de la comunicación cuántica. Los equipos de Pan Jianwei y Xu Feihu, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, en colaboración con la Universidad Sun Yat-sen, la Universidad Jiao Tong de Shanghái y otras instituciones, han implementado una red de comunicación cuántica chipificada de larga distancia basada en el protocolo de distribución de claves cuánticas de dos campos, obteniendo una tasa de codificación segura que supera la capacidad de clave sin repetidores en una distancia de fibra óptica de hasta 540 kilómetros.

La distribución de claves cuánticas permite que usuarios distantes compartan claves de seguridad teórica de la información. Combinada con el método de cifrado de libreta de un solo uso, puede lograr, en principio, una comunicación incondicionalmente segura. El protocolo de distribución de claves cuánticas de dos campos puede superar la limitación de la disminución lineal de la tasa de codificación con la distancia en la distribución de claves cuánticas tradicional, siendo una ruta técnica importante para lograr redes de comunicación cuántica de fibra óptica de larga distancia. Sin embargo, este protocolo exige una alta coherencia de la fuente de luz, estabilidad del enlace y precisión del control del sistema, lo que dificulta su implementación práctica.

Figura 1: Chip fotónico integrado híbrido de nitruro de silicio y niobato de litio en capa fina

El avance central de esta investigación radica en el extremo transmisor chipificado. El equipo de investigación desarrolló un chip fotónico integrado híbrido de nitruro de silicio y niobato de litio en capa fina, combinando un chip láser de autoinyección bloqueada basado en un resonador de microanillo de nitruro de silicio de alto factor de calidad con un chip fotónico integrado de niobato de litio en capa fina que integra múltiples moduladores de intensidad, moduladores de fase y atenuadores ópticos variables. El láser en el chip logra una salida de línea estrecha de 100 Hz, y el modulador de niobato de litio en capa fina alcanza un ancho de banda de modulación de 25 GHz, un voltaje de media onda de 2,6 V y una relación de extinción de 34 dB.

En cuanto a la arquitectura de red, el equipo de investigación propuso una estructura de red cuántica en hoja y espina. Esta estructura consta de una capa de usuario, una capa de hoja y una capa de espina. Los usuarios se conectan a la red a través de terminales transmisores chipificados, y luego, mediante conmutadores ópticos y unidades de medición, se completa el enrutamiento y la medición de señales cuánticas. En comparación con las pruebas de enlace único, esta estructura se acerca más a las necesidades de las redes de comunicación cuántica reales, mejorando la capacidad de acceso de usuarios, la escalabilidad de la red y la flexibilidad de conexión.

Figura 2: Diagrama del sistema de red de distribución de claves cuánticas chipificada para cuatro usuarios

En el experimento, el equipo de investigación construyó una red de distribución de claves cuánticas de dos campos chipificada para cuatro usuarios, y demostró conexiones con diferentes configuraciones de usuario en distancias de fibra óptica de 40 y 403 kilómetros, respectivamente. En un experimento adicional, el sistema logró una tasa de codificación segura de 2,93 bps en un enlace de fibra óptica de ultra baja pérdida de 540 kilómetros con una pérdida total de 91,5 dB, superando en 9 veces la capacidad de clave sin repetidores.

Este resultado también incluyó una simulación del rendimiento de la red. Basándose en los parámetros experimentales, la red cuántica en hoja y espina puede admitir a más de 50 usuarios para realizar videollamadas de alta calidad en una distancia de fibra óptica de 50 kilómetros. Esto demuestra que la red de comunicación cuántica chipificada no solo verifica la capacidad de transmisión de larga distancia, sino que también muestra el potencial de expansión futuro hacia redes cuánticas metropolitanas multiusuario.

Figura 3: Gráfico de resultados de la tasa de codificación experimental de la red de distribución de claves cuánticas

La importancia de este logro radica en la combinación de la tecnología de chips fotónicos integrados con la arquitectura de redes de comunicación cuántica de larga distancia. Los sistemas de comunicación cuántica tradicionales suelen presentar problemas como gran volumen de equipos, alto costo y alta complejidad del sistema. El enfoque chipificado ayuda a promover la miniaturización, estabilización y reducción de costos del extremo transmisor, proporcionando una base técnica para el despliegue futuro de redes de comunicación cuántica a gran escala.

Sin embargo, este resultado aún se encuentra en la fase de verificación científica. Para avanzar hacia aplicaciones a mayor escala en el futuro, es necesario seguir resolviendo problemas como la consistencia de los chips, la ingeniería del sistema, la operación estable a largo plazo, la gestión de la red, las interfaces estándar y el soporte de la cadena industrial. Especialmente en redes metropolitanas e interurbanas reales, la transmisión de señales cuánticas enfrentará condiciones complejas como fluctuaciones ambientales, pérdidas de enlace, programación de nodos y mantenimiento de equipos.

Los puntos clave de observación futura se centrarán en el progreso de la ingeniería del extremo transmisor chipificado, el rendimiento operativo de la red cuántica en hoja y espina al ampliar la escala de usuarios, la capacidad de compatibilidad con las redes de comunicación de fibra óptica existentes, y si esta tecnología ingresará a las redes de prueba de comunicación cuántica metropolitana. Si la verificación posterior avanza sin problemas, la red de comunicación cuántica chipificada de larga distancia podría convertirse en una dirección tecnológica importante para la infraestructura de comunicaciones seguras.