近期，来自宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）联合纽约市立大学（City University of New York, CUNY）等机构的研究团队在《Science》发表了题为“Classical-decisive quantum internet by integrated photonics”的研究。聚焦集成光子学在量子互联网构建中的关键作用，提出了 “经典 - 确定性” 量子互联网的创新架构，为量子通信的实用化与规模化发展迈出了坚实一步。

量子互联网旨在利用量子力学原理（如量子纠缠、量子隐形传态）实现安全、高效的信息传输，其终极愿景是构建一个跨越全球的量子通信网络，支撑量子密钥分发、分布式量子计算、量子传感等颠覆性应用。然而，传统量子互联网的发展面临三大核心挑战。

量子态的脆弱性：量子比特基于微观粒子的量子态（如光子的偏振、电子的自旋）编码，极易受环境噪声干扰，导致量子态退相干，信息传输的可靠性难以保障。

硬件的兼容性与规模化：早期量子通信依赖分立光学元件（如分束器、波片），系统体积大、功耗高、稳定性差，难以像经典互联网的集成电路那样实现小型化、集成化与批量生产。

“量子 - 经典” 协同的缺失：量子通信并非完全脱离经典通信，其密钥分发、网络路由、错误校正等环节需要经典通信的支撑，但如何让 “量子层” 与 “经典层” 高效协同，一直是领域内的难题。

在此背景下，集成光子学成为破局的关键技术。集成光子学是将光学元件（波导、调制器、探测器等）集成在单一芯片上的技术，类似电子领域的集成电路，它能大幅提升系统的稳定性、可扩展性与性价比，为量子互联网的实用化提供了硬件基础。

核心创新：“经典 - 确定性” 架构与集成光子学的深度融合

该研究的核心突破在于提出 **“经典 - 确定性” 量子互联网架构 **，并通过集成光子学技术实现了关键功能模块的芯片级集成，其创新点可从三个维度解析。

1. 架构设计：量子通信的 “双轨制” 协同

研究团队重新定义了量子互联网中 “量子通道” 与 “经典通道” 的关系，提出 “经典 - 确定性” 的协同逻辑。

量子通道：用于传输量子纠缠或量子密钥，依托集成光子芯片产生、操纵和检测光子量子态，保障通信的安全性与量子特性。

经典通道：用于传输 “确定性” 的控制信息（如量子态测量结果、路由指令、错误校正数据），基于经典集成电路实现高速、可靠的信息交互。

这种架构打破了 “量子通信完全独立于经典通信” 的传统认知，通过经典通道的 “确定性” 控制，大幅提升量子通信的稳定性与可操作性。

2. 硬件实现：集成光子芯片的多功能集成

研究团队成功在单一集成光子芯片上实现了量子光源、量子调制器、量子探测器与经典控制电路的融合。

量子光源：基于芯片上的微纳结构（如氮化硅波导、铌酸锂调制器）产生纠缠光子对，具备高亮度、高纯度的特点，为量子通信提供可靠的 “量子载体”。

量子操纵模块：通过集成的光学移相器、分束器等元件，在芯片上实现对光子量子态的高精度调控，支持量子纠缠的产生、分发与操作。

经典 - 量子接口：在芯片上集成光电探测器与电调制器，实现量子光信号与经典电信号的高效转换，为 “经典 - 确定性” 控制提供硬件支撑。

这种集成化设计将量子通信系统的体积缩小至平方厘米级别，功耗降低一个数量级，同时提升了系统的稳定性与可重复性。

3. 性能突破：确定性与扩展性的双重提升

基于 “经典 - 确定性” 架构与集成光子芯片，该系统在通信确定性与网络扩展性上实现了突破。

确定性通信：通过经典通道对量子态测量与反馈的 “确定性” 控制，将量子通信的成功概率从传统方案的概率性（如基于量子随机测量的方案）提升至接近 100%，大幅降低了通信延迟与资源消耗。

网络扩展性：集成光子芯片的模块化设计使其可像经典路由器一样 “即插即用”，支持量子节点的快速部署与网络规模的线性扩展，为全球量子互联网的构建奠定了基础。

行业影响：从实验室到产业化的 “跳板”

从长远看，“经典 - 确定性” 量子互联网的发展将推动量子技术从 “实验室奇观” 走向 “普惠型基础设施”，正如经典互联网重塑了信息传播方式，量子互联网有望在安全通信、计算能力、传感精度等维度引发新一轮技术革命，为人类社会的数字化、智能化发展注入全新动能。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx6176