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1、Department of Materials Science and Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia,  PA, USA.

2、Department of Electrical and Systems Engineering, University of Pennsylvania,  Philadelphia, PA, USA. 

3、Department of Computer and Information Science, University of  Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA. 

4、Department of Physics and Astronomy, College of  Staten Island, CUNY, Staten Island, NY, USA. 

5、The Graduate Center, CUNY, New York, NY, USA.  

*Corresponding author. Email: fenglia@seas.upenn.edu

量子技术的快速进步正在为未来信息基础设施奠定基础，使计算速度更快（1,2），感知技术比以往更智能（3）。然而，量子系统主要作为独立系统运行，尚未实现互联，从而无法开展分布式量子信息处理，而这种处理利用非局域量子纠缠进一步增强量子能力（4–6）。其主要障碍在于缺乏完全独立的量子互连，需要开发新的交换和路由协议（7），以在保持量子相干性和量子关联性的同时处理量子信息。对量子态的操作往往需要预先测量，但这些测量会抹去量子态的统计特征，从而可能破坏量子信号。这导致资源密集型的集中式管理，纠缠分发路径通常是预先分配且静态的（8–12）。此外，量子互联网极易受到噪声和光子损耗的影响，需要实时错误缓解来保持量子信息的完整性（11）。

一种可能的解决方案是探索经典决定性量子系统。在物理层，量子和经典信息都依赖相同的电磁传输机制。这种混合系统可以利用现有的经典互连硬件，避免完全依赖全新的量子专用基础设施，同时提供将量子功能纳入的灵活性。近期尝试已在光纤链路中展示了量子密钥分发和纠缠分发，并与经典数据业务并行运行（13–17）。结合不同复用技术的新协议已被测试，用于高效编码量子-经典混合数据互联网协议（IP）数据流，以优化量子网络管理（18–21）。在这种场景中，经典信号携带标签和路由指令，以精确、稳定地引导量子数据，同时避免对量子态的直接测量和操作。然而，在已部署的经典光纤网络中，对经典决定性量子信息处理的大规模探索仍然缺乏。这一缺口的存在，是因为在已部署的网络中，量子-经典混合数据的协同控制、噪声抑制以及其他不可预测的环境干扰远比实验室光纤环境复杂得多（22,23）。这些复杂性要求对量子-经典混合数据 IP 数据包进行精确编排，以实现跨全球已部署的经典光纤互联网基础设施的可扩展性。

为应对这一挑战，我们展示了将量子信息集成到先进光子技术（24–26）中的方案，使得量子和经典数据能够在同一光子芯片上以可控的精度和延迟实现同步。控制平面可直接接入商业化部署的光纤网络。在光子芯片的控制下，经典光在已部署的光纤网络中调度纠缠光子分发和量子比特操作，促进基于广泛使用的 IP 架构的高效量子-经典混合互联网管理。芯片控制下的经典光的精度和稳定性提高了复杂量子态的制备、操控与控制，从而实现实时量子错误缓解，使量子操作在不可避免的现实环境干扰下仍保持稳健性。

芯片驱动的量子-经典混合网络框架

量子-经典混合网络框架的核心是一个混合数据的IP数据包，其中包含一个领先的经典头部，后面跟着一个量子负载（图1A）。该IP数据包封装了携带量子比特的量子负载和包含系统量子互联管理元数据的经典头部。通过这种数据包格式，产生并封装在量子负载中的纠缠光子。经典头部由多个段组成，每个段在量子互联网络中执行特定的经典决定性功能，包括IP头、量子数据读取控制、标签、量子负载的持续时间以及量子态错误的实时监控。根据需要，其他段可以轻松插入，以支持更多经典决定性量子控制，从而为我们的框架提供出色的可扩展性，能够处理更复杂的量子任务。由于混合数据包是量子信息分发的关键启用者，因此至关重要的是尽量减少高强度经典光对脆弱的量子负载的干扰，并确保所有数据包都具有高精度和控制。混合数据IP数据包的精确同步、持续生成和操作依赖于量子-经典混合光子服务器芯片，该芯片通过片上复用精确传输由经典光引导的量子信息。

图1. 经典决定性量子互联网示意图。
(A) 量子互联网由一个包含经典发射器（Tx）、量子发射器（Tx）和WDM复用器（MUX）的混合服务器芯片驱动。经典头部包含与量子负载路由和监控相关的多个重要信息段。在我们的协议中，这些段包括“Pilot”头部作为数据读取的指示符，“信息ID”（Inf. ID）标记每个混合数据IP数据包，源IP（Ori. IP）和目标IP（Dest. IP）地址，一个指定量子负载持续时间的“duration”，以及用于实时监控传播路径上量子态错误的“错误检测”（ED）信号。
(B) 在商业光纤基础设施上工作的量子-经典混合互联网示意图。已部署的光纤链路将服务器、路由器和节点互连，动态分发混合数据IP数据包，其中经典头部促使量子负载的路由和管理。两种颜色的链路表示两条服务器生成的纠缠光子的路径。
(C) 宾夕法尼亚大学的多节点校园级测试平台示意图。一个集成芯片服务器部署在物质结构研究实验室（LRSM），一个路由器部署在摩尔大楼（Moore），多个光纤链路连接这两栋建筑。

在从芯片服务器传输后，混合数据IP数据包通过现有的商业网络基础设施传播，包括路由器、节点和光纤链路（图1B）。在每个路由器处，包含源和目标地址的IP头被用来将传入的流量转发到正确的输出光纤。一旦确定，路由器控制器会迅速重新编程交换网络，为即将到来的量子负载做好准备，动态路由纠缠分发到端点之间。由于路由器只处理经典数据，不与量子负载交互，现有的商业光纤路由器可以通过网络接口特定的硬件修改来支持该协议，从而确保量子负载的最大完整性。因此，量子-经典混合版本的IP可以在现有的通信基础设施上进行。

为了实验证明这个框架，我们建立了一个多节点量子网络测试平台，使用已部署的光纤网络（图1C）【27】。多个地下商业光纤链路连接两栋建筑，每条链路的长度约为1公里。由于路径上有多个交换机架，单条链路的插入损耗约为4.3 dB。该设置真实地反映了实际条件，其中通信路径通常包含多个互连的光纤（因此会受到光子损失和不可预测的环境干扰的影响），而不是从起点到终点的单根完整光纤。设计的混合数据IP数据包通过光纤光网络传输，使用经典头部来确定切换路径和量子负载所需的操作，从而实现纠缠光子的高效分发【27】。量子态分析和检测节点也被放置在网络中，用于实时错误监控和缓解。通过激活额外的光纤链路、路由器和节点，这个测试平台可以进一步扩展到更大的网络。

光子服务器芯片（图2A）在Si3N4-on-insulator平台上设计和制造（图S1和S2），该平台集成了多个热光调谐组件用于信息编码和复用，便于精确的量子-经典混合数据协同控制【27】。一束1550.92 nm的连续波激光束被耦合到芯片中，并通过Mach-Zehnder干涉仪（MZI）功率控制单元进行分配，平衡经典和量子发射器之间的功率。对于经典头部，使用开关调制来编码经典IP头，而对于量子负载，激光束作为泵浦光源，通过高品质微环谐振器中的自发四波混频生成纠缠光子对【28,29】。生成的宽带光子对相对于激光波长对称分布，信号光子位于1547.72 nm，而闲置光子位于1554.13 nm。随后，使用带通微环滤波器构成的波长解复用器将路径纠缠的光子对分离。通过利用泵浦光源生成的光子对的不同波长，波长分复用（WDM）最小化了高强度经典信号对量子负载的干扰，从而形成混合数据IP数据包。当经典信号与量子负载合并时，闲置光子局部传播至片上状态分析仪，而信号光子则通过WDM与准备好的经典头部结合。此外，经典和量子发射器的共集成和协同控制可以实现精确的时分复用，确保经典头部优先于量子负载。芯片上应用的成熟复用技术确保经典信号和量子信号之间的重叠最小，以保持量子信息的完整性。所有光学信号随后耦合到芯片外的光纤中，闲置光子直接进入单光子检测模块，而IP数据包则在网络中传播，经过路径到偏振自由度的转换，最终到达节点进行状态分析和检测（图S3）。

图2. 混合服务器芯片。

(A) 光子芯片显微照片：泵浦光进入Mach-Zehnder干涉仪（MZI），用于控制经典发射器（上路径）和量子发射器（下路径）之间的功率分配。经典发射器通过MZI（头部编码器）对经典头部进行编码，而量子发射器包含一个纠缠光子源（EPS），利用两个微环谐振腔产生腔增强的自发四波混频（SFWM），生成路径纠缠的光子对。产生的信号光子和闲置光子随后由波分解复用器（WDM DEMUX）分离。闲置光子在本地传输至状态分析投影仪，而信号光子则与经典头部通过复用器（MUX）结合，形成混合数据IP数据包，再耦合到单模光纤（SMF）中传输至片外。

(B) 光子对源的符合计数表征：这里两个频率为 ωp的泵浦光子被同时吸收并转化为一个信号光子频率 ωp+Ω和一个闲置光子频率 ωp−Ω（内嵌图），在特定时间延迟 ΔT\Delta TΔT 处产生双光子关联峰。

(C) 和 (D) Bell 态 ∣Φ+⟩的双光子密度矩阵：分别为实验测得结果和理论预测结果。

(E) 生成的混合数据IP数据包：红色表示经典头部信号，紫色为触发后的信号光子在时间域的直方图。

(F) 放大的经典头部细节：展示了图(E)中灰色框标记的初始经典头部的放大视图，进一步确认了集成光子芯片对混合数据IP数据包的精确编码能力。

在进行经典决定性量子网络之前，我们对生成的量子-经典混合数据流进行了表征。纠缠光子对源的测量结果显示，测得的相合事故比超过80，且相干时间约为0.54 ns（图2B）。通过量子态层析验证了生成的双光子Bell态 ∣Φ+⟩=(∣HH⟩+∣VV⟩)/√2，证明了高保真度F = 0.983和高纯度P = 0.979（图2C），与理论预测一致（图2D）。一个典型的最终混合数据IP数据包的时间剖面如图2E所示，其中光子对的相合计数跨越了整个量子负载的持续时间，不同的信息段准确地编码到经典头部中（图2F），验证了集成光子芯片在精确编码和传输IP数据包方面的能力。

多节点混合 IP 网络用于高效纠缠分发

在混合服务器和现有光纤网络基础设施的支持下，我们展示了一项原理验证性的混合 IP 网络实验。在整个测试过程中，独立预编程的服务器、路由器和节点在我们设计的协议下协同工作，有效地消除了对资源需求量大的顶层管理器的依赖 (27)。

最初，在一个由一个“源 IP” (Ori. IP) 地址 {1} 和两个“目标 IP” (Dest. IP) 地址 {1, 2} 组成的简单网络上验证了分组交换，这些地址通过一台路由器相连，并通过三条布设的光纤链路传输数据 (图 3A)。编码在经典报头中的 IP 地址指示路由器将随后的量子载荷切换到所需的目标。为了模拟量子互联网流量（即用户按需传输量子信息），每个 IP 包随机编码目标地址，并包含随机时长的量子载荷。在实验中，纠缠分发通过双光子相关时间延迟 ΔT 被记录和标记，这揭示了路由模式 (图 3B)。例如，当选择“1–1”（从源 1 到目标 1）路径时，仅在时间延迟 ΔT2 出现相关的双光子信号，而在 ΔT1 没有信号；反之，当选择“1–2”（从源 1 到目标 2）路径时，情况相反。ΔT 的差值 (ΔT2 – ΔT1 ≈ 50 ns) 与两条路径的长度差一致。所得的 2 × 2 传输矩阵显示出量子路由精度 pR1 = 0.971 (图 3B)。与理想情况 pʹR1 = 1.0 的轻微偏差主要源于测量过程中的量子噪声，令人信服地表明路由器硬件及其路由协议在量子网络中的可行性。

图 3. 混合 IP 网络
(A) 使用一个简单网络验证分组交换，其中一个源 IP 地址和两个目标 IP 地址通过一个路由器连接。
(B) 两个源-目标路径配置的重合计数 (C.C.) 的归一化时间分布。计算得出的 2 × 2 传输矩阵（显示在 C.C. 曲线下方）表明量子路由精度为 pR1 = 0.971。
(C) 通过包含两个源 IP 地址和两个目标 IP 地址的网络进行进一步验证。
(D) 四个路径配置的 C.C. 归一化时间分布，以及得出的 4 × 4 传输矩阵，量子路由精度为 pR2 = 0.962。
(E) 双层分组交换测试，其中两个源 IP 地址和三个目标 IP 地址通过两个路由器连接，代表更真实的通信情形。
(F) 六个路径配置的 C.C. 归一化时间分布，以及得出的 6 × 6 传输矩阵，量子路由精度为 pR3 = 0.916。

随后，在更复杂的光纤网络中进一步验证了混合 IP 网络。在混合服务器芯片之后增加一个 1 × 2 光开关，将混合数据 IP 包导入两条路径，从而实现两个源 IP 地址，并结合与路由器关联的两个目标 IP 地址 {1, 2}，形成四种可能的网络连接 (图 3C)。双光子相关信号在四个不同的时间延迟处出现，测得的 4 × 4 传输矩阵表现出量子路由精度 pR2 = 0.962 (图 3D)。此外，在双层分组交换设置中，额外的路由器引入了三个目标 IP 地址 {1, 2, 3}，形成六种网络连接 (图 3E)。测得的 6 × 6 传输矩阵显示量子路由精度 pR3 = 0.916，与 pR1 和 pR2 相比的轻微下降，并非由网络复杂度增加引起，而是由于第二个路由器后的 5 公里长光纤盘带来的额外插入损耗。这些实验共同表明，我们的混合 IP 网络具有可扩展性，并且在更大规模的纠缠网络部署中是切实可行的。

所展示的协议可以轻松扩展以与标准 IPv4 或 IPv6 格式对齐 (表 S1) (27)，因为它在位数或交换规模上没有固有的限制。因此，在大规模量子互联网的背景下，这一机制能够促进数百甚至数千个节点的动态灵活互联。

带有实时纠错的纠缠分发

尽管混合 IP 网络能够灵活地在多个节点之间分发相关光子，但现实中的量子网络需要在环境扰动下稳健地保持脆弱的量子态。例如，在光纤网络中，振动、温度波动以及几何变形和旋转 (22, 30) 都会引发干扰，使光子的偏振态经历未知的一般 SU(2) 变换

其中，Ri(θ) 表示绕第 i 轴的旋转角度为 θi 的 SU(2) 旋转矩阵 (图 4A)。若没有原位监测和校正偏振变化，大量误差将会在节点处产生，从而损害量子信息的完整性。

我们的混合网络框架利用引导性的经典信号来应对这一挑战：通过嵌入在经典报头中的误差检测信号，采用实时反馈和优化算法主动检测并校正量子态误差 (27)。该算法得益于片上误差缓解器的动态重构（由四个 MZI 构成，见图 4A）而得以实现。从基本原理看，经典信号与量子信号都遵循相同的电磁机制，因此会经历相同的环境扰动。因此，通过发送和检测不同的经典偏振态，可以重建 UF(α,β,γ)，并恢复参数 α,β,γ。随后，微控制器单元会处理这些参数并更新施加在误差缓解器上的电压，以形成预校正的 SU(2) 变换

利用反馈流和优化算法 (图 S7)，在满足

的条件下，可以实现完美的误差抵消。由此，经典报头实现了对量子载荷的误差缓解，为精确纠缠分发提供了稳健路径。所有测量均在经典偏振态上完成，而不干扰量子态，从而大幅提高了检测和分析效率。

图 4. 通过实时纠错保护的纠缠分发
(A) 纠错算法示意图。误差检测（ED）信号，主要由可控的初始偏振态组成，嵌入在经典报头中。在终端，一个状态分析仪和光电二极管（PD）检测偏振态，以提取与光纤相关的未知 SU(2) 矩阵的关键参数，从而使片上误差缓解器执行预校正以消除偏振误差。BS：光束分离器；PC：偏振控制器；PBS：偏振光束分离器。
(B) 启用与未启用纠错情况下的量子信息精度长期表现。每个纠错周期约为 3.2 毫秒。每条曲线下方的阴影区域表示精度振荡的 1σ。
(C) 分布式纠缠光子的量子态断层扫描。启用纠错时，获取的密度矩阵展示了接近原始表征的保真度 F = 0.970 和纯度 P = 0.925；而未启用纠错时，双光子态变得高度混合，保真度为 F = 0.593，纯度为 P = 0.615。互信息对比（S = 1.219 与 S = 0.565）也验证了我们的混合策略在保持量子双方纠缠中的关键作用。

在长达 5 小时的纠错开启与关闭对比实验中 (图 4B)，经典光推断的量子密钥分发精度表现出明显差异。两种情况均从已校正的 UFU_FUF 参数集开始。当启用纠错时，推断精度在整个实验过程中始终保持 >97%；而在未启用纠错时，由于偏振漂移积累，推断精度显著下降，并在某些时间段受到随机环境振动导致的严重震荡。量子纠错进一步通过纠缠保真度表征得到验证 (图 4C)。若没有纠错，纠缠态会发生严重退相干并演化为高度混合态；然而，在每 100 毫秒进行一次持续纠错的情况下，原始的双光子贝尔态得以成功恢复，几乎不受影响的纠缠态保真度为 F=0.970F = 0.970F=0.970。这一显著提升令人信服地证明了在实时高效量子纠错中，经典主导的量子信息处理方法的有效性。

结论

将量子信息处理与先进光子技术相结合，可以实现量子-经典混合数据流的精确编码，从而推动一种“经典主导型量子互联网”，并与现有的商用通信基础设施无缝集成。在设计的混合 IP 网络协议中，经典信号在高效引导纠缠分发和保持量子信息完整性方面起着关键作用。此外，通过基于经典光的误差检测与反馈算法驱动的实时纠错机制，实现了稳健的纠缠分发。原则上，该机制还可扩展至其他误差缓解方式，如相位稳定 (27, 31)。当与最先进的高速光子器件 (32–34) 集成，并结合先进的复用技术 (8, 11, 27, 35) 时，我们所展示的经典主导型量子架构可进一步提升混合数据速率，从而提高量子网络的整体效率。随着量子存储器的出现 (12, 36–38)，它们也能够轻松接入我们的系统，从而推动面向大规模分布式量子信息系统的实用且稳健的量子互联网 (27)。