量子波导工程2025：即将改变光子学和计算的隐秘技术革命

执行摘要：量子波导的临界点
市场预测2025–2030：增长预测和关键驱动因素
核心技术：量子波导材料和制造的进展
突破性应用：量子光子学、传感和计算
领先企业与合作伙伴：行业变革者和合作
制造创新：精密工程和集成挑战
监管环境和行业标准
投资趋势：融资、并购活动和初创企业生态系统
未来展望：2030年的路线图和潜在干扰
案例研究：开创性部署和现实影响（引用例如 ibm.com, intel.com, ieee.org）
来源与参考

执行摘要：量子波导的临界点

量子波导工程在2025年处于一个关键的转折点，受到纳米制造、材料科学和光子集成突破的推动。量子波导——引导量子粒子如光子或电子的结构——是可扩展量子计算、安全通信和先进传感的基础。在过去的一年中，行业领导者和研究联盟加速了量子波导技术从实验室原型到预商业平台的过渡，为该行业在未来几年实现显著增长奠定了基础。

领先公司展示了具有前所未有的低损耗和高相干特性的下一代波导设计。例如，保罗·谢尔研究所报告了氮化硅波导的进展，实现了低于0.1 dB/cm的传播损耗，这是集成量子光子电路的关键阈值。在商业方面，LioniX International继续扩大其专有的TriPleX平台，使量子源、调制器和探测器能够集成在单个芯片上，用于量子密钥分发和光子量子计算的应用。

2025年，波导工程与其他量子使能技术的融合也在加速。ams OSRAM和英飞凌科技公司正在投资于将波导与超导和半导体量子设备相结合的混合平台，旨在提高相干时间并实现芯片上的纠缠生成。此外，由EUROQIC（欧洲量子互联网联盟）主导的倡议专注于标准化基于波导的量子光子互连，现场试验定于2025年末进行。

在市场前景方面，随着组件的可靠性和可扩展性提高，该行业预计将增加商业采用。CSEM预测，到2027年，量子波导平台将支撑新一代量子传感器和网络设备，推动对网络安全、精密计量和基于云的量子计算的需求。同时，Thorlabs和滨松光子学株式会社正在扩展其产品线，以支持系统集成商和量子初创企业之间的快速原型制作和试点部署。

展望未来，业界与学术界之间的协作预计将加速量子波导接口的标准化，并推动集成密度和性能的边界。随着投资的稳健和生态系统的扩展，量子波导工程将在未来几年中发挥关键作用，推动量子技术的商业化。

市场预测2025–2030：增长预测和关键驱动因素

量子波导工程，作为下一代量子光子学和量子信息技术的基础要素，预计在2025至2030年期间将实现显著的市场增长。该行业的特点是低损耗、高相干光子结构的设计、制造和集成的快速进展，能够以高保真度和可扩展性操控量子态。这些波导对量子计算、安全通信和先进传感平台至关重要。

从2025年起，随着主要技术提供商和研究机构从实验室规模原型过渡到可扩展、可制造的架构，市场预计将加速增长。关键驱动因素包括全球对量子计算基础设施的投资激增和对超安全量子通信网络的需求增加。领先公司如卡尔·蔡司公司和滨松光子学正在推进集成光子平台，利用飞秒激光写入和先进的光刻技术实现稳健的量子波导电路。

在2024年，Inphi Corporation（现为Marvell Technology的一部分）推出了嵌入量子波导阵列的新型光子集成电路，表明向量子互连的商业规模生产转变。类似地，Lumentum Holdings Inc.和Thorlabs扩大了其波导制造能力，专注于适合量子应用的超低损耗和高可靠性平台。

2025–2030年的前景受到几个趋势的支撑：

政府和机构资金：欧盟的量子技术旗舰计划和美国国家量子计划等倡议预计将为波导研发注入大量资金，促进学术界与工业界之间的合作。
材料创新：如康宁公司等公司正在开发新型玻璃和晶体基底，优化量子光子电路的传输和相干特性。
标准化和生态系统发展：开放铸造模型的出现，得到如伦敦帝国学院量子光学与光子学组等组织的支持，正在加速波导技术的商业化，并实现跨平台的互操作性。

到2030年，量子波导工程的采用预计将成为可扩展量子硬件的基石，具有强大的供应链和标准化的制造流程。该行业的增长将与量子计算和密码学中量子硬件的采用速度紧密相关，以及行业领导者和联盟在材料和制造方面的持续突破。

核心技术：量子波导材料和制造的进展

量子波导工程在实现可扩展量子光子电路方面处于前沿，2025年材料和制造方法的显著进展推动了该行业的发展。波导是一种在量子层面上限制和引导光的结构，对于芯片上的量子信息处理、量子通信和新兴的量子传感至关重要。近年来，从传统的二氧化硅波导转向氮化硅（SiN）、铌酸锂（LiNbO₃）和III-V族半导体等先进材料，这些材料提供了低损耗传播、高非线性和与主动量子设备的兼容性。

在这些材料中，SiN波导因其低传播损耗和宽透明窗口而获得了显著关注，使其成为量子光子应用的理想选择。制造改进，例如使用深紫外（DUV）光刻和优化退火工艺，使得超光滑的波导表面得以创建，散射损耗降低到0.5 dB/m以下，正如imec所展示的那样。同时，LioniX International正在推进其专有的TriPleX^®技术，将SiN波导集成到量子光子芯片中，在纠缠生成和操作中表现出强大的性能。

绝缘体上的铌酸锂（LNOI）平台是另一个快速进展的领域。现代薄膜制造技术使得高效、低损耗的LiNbO₃波导得以实现，并具备电光调制能力，这对于快速的量子门操作至关重要。Covesion和Sicoya等公司正在商业化LNOI波导，报告的传播损耗低于0.03 dB/cm，并可与其他光子组件进行可扩展集成。

目前也在努力将单光子源和探测器直接集成到波导平台上。Single Quantum正在开发超导纳米线单光子探测器，可以与各种波导材料集成，提高量子光子电路的探测效率和可扩展性。

展望未来几年，混合集成预计将成为核心，结合多种材料（如SiN、LiNbO₃、InP）的优势，在单个光子芯片上实现多功能量子设备。像EUROPRACTICE这样的组织正在促进学术界和工业界对先进制造线的访问，加速下一代量子波导的原型制作和部署。随着这些材料和制造进展的汇聚，量子波导工程有望支撑从实验室原型到商业可行的量子光子技术的过渡。

突破性应用：量子光子学、传感和计算

量子波导工程作为下一代量子光子学、传感和计算的基础技术正在快速发展。波导——在纳米尺度上限制和引导光的结构——是集成量子电路的核心，使得对光子传播和相互作用的精确控制成为可能。这些组件的工程在2025年取得了显著突破，受到了学术研究和工业创新的推动。

在量子光子学中，工程化波导对于可扩展平台至关重要。Inphi Corporation和英特尔公司正在开创硅光子集成，利用成熟的CMOS工艺制造超低损耗的波导和芯片上的量子光源。这些进展支持纠缠光子对的生成和操控，对于量子通信和网络至关重要。Lumentum Holdings Inc.也在开发铟磷（InP）波导阵列，以实现高保真度的单光子路由和多路复用，解决关键的可扩展性瓶颈。

在量子传感方面，基于波导的设备正在实现灵敏度和小型化的新基准。美国国家标准与技术研究院（NIST）已经展示了使用集成铌酸锂和氮化硅波导的芯片级量子传感器，实现了对磁场和电场的记录最低检测阈值。这些波导传感器正在进一步开发，以便在生物医学成像和导航系统中部署。

量子计算通过改进光子量子比特操控和电路复杂性直接受益于波导工程。保罗·谢尔研究所正在与欧洲合作伙伴合作，开发混合波导平台，将超导电路与光子互连相结合，以实现可扩展的量子处理器。同时，爱信公司正在开发超紧凑的波导交叉和耦合器，以减少密集量子光子电路中的损耗和串扰，这是错误校正和多量子比特操作的关键步骤。

展望未来，该行业预计将进一步将新型材料如钻石和二维材料集成到波导架构中，正如Element Six所探讨的。这些材料承诺增强光子-自旋接口和改善相干时间，这对于稳健的量子网络至关重要。未来几年可能会看到多功能量子芯片的商业化，波导工程处于核心地位，支持安全通信、先进传感和量子增强计算。

领先企业与合作伙伴：行业变革者和合作

量子波导工程正在量子技术的前沿崭露头角，形成了一个涵盖量子硬件、光子学和半导体行业的日益增长的生态系统。在2025年，该领域的特点是成熟公司、创新初创企业和学术研究中心之间的合作浪潮，大家共同努力克服可扩展、低损耗量子信息传输和处理中的挑战。

在全球领先者中，IBM继续推动基于波导的光子电路与其超导量子计算平台的集成。IBM最近与美国和欧洲的学术联盟建立的合作关系，专注于混合量子-经典系统，利用波导工程改善量子比特和光子设备之间的互连。

在光子学领域，Infinera和Lumentum加速了适用于量子通信和计算的低损耗、高保真波导技术的发展。Infinera与欧洲量子测试平台的合作旨在开发专门针对量子密钥分发（QKD）和量子网络节点的集成光子芯片组，这一趋势在Lumentum与领先的量子安全初创企业的合资企业中也得到了体现。

初创企业在推动边界方面发挥着关键作用。PsiQuantum宣布与铸造合作伙伴和硅光子供应商进行持续合作，以制造超低损耗波导，这对扩展其光子量子计算架构至关重要。同时，Quantinuum（由霍尼韦尔量子解决方案和剑桥量子合并而成）正在与材料科学专家密切合作，以增强光波导与离子阱和超导量子比特系统的集成。

学术界与工业界的合作继续推动创新。美国国家标准与技术研究院（NIST）仍然是多机构量子波导研究的中心，促进大学与商业伙伴之间的技术转移。在亚洲，NTT研究小组与领先大学合作，推动量子光子电路的芯片级波导集成，目标是量子计算和安全通信网络。

展望未来，预计未来几年将看到波导工程与量子设备制造之间的更深层次集成，行业联盟和政府支持的倡议促进标准化平台和跨学科专业知识的发展。以合作为驱动的创新快速发展，使量子波导工程成为2020年代后期商业量子技术的关键。

制造创新：精密工程和集成挑战

量子波导工程是下一代光子学和量子信息技术的核心，推动了基础研究和商业化的进展。在2025年，该行业正在经历制造创新的快速演变，特别是在精密工程和量子波导与其他光学和电子组件的集成方面。

其中一个主要挑战是制造具有纳米级精度的波导，以确保低损耗传播和量子信号的最小去相干。像伦敦帝国学院纳米制造设施和CSEM这样的公司正在通过利用先进的光刻、反应离子刻蚀和原子层沉积来推动边界。这些方法能够定义支持单光子传输的波导几何形状，具有高保真度，这对于量子计算和安全通信的应用至关重要。

集成挑战通过开发混合平台来解决，这些平台结合了不同材料（如硅、氮化硅和铌酸锂），以利用它们各自的光学、机械和电光特性。LioniX International和imec正在展示单个芯片上的多材料集成，这对于扩展量子光子电路至关重要。在2025年，imec的硅光子平台继续成熟，提供定制量子波导布局的稳健铸造流程，而LioniX International则推进其专有的TriPleX平台，以支持超低损耗波导，支持大规模量子光网络。

将量子波导与光纤和探测器进行封装和耦合仍然是一个重大障碍。Teledyne和滨松光子学正在推出高精度对准和粘接解决方案，降低插入损耗并提高大规模生产的良率。滨松最近开发的与集成光子芯片兼容的单光子探测器正在为现实世界的量子波导模块提供更实用的解决方案。

展望未来，未来几年量子波导工程的前景标志着制造公差的持续优化、组装的更大自动化以及铸造厂与量子硬件初创企业之间的更多合作。重点是实现可重复、可扩展的制造流程，以满足量子信息科学的严格要求。随着制造标准的发展和新集成技术的出现，量子波导技术预计将从实验室规模的演示过渡到在量子通信、传感和计算平台中的广泛部署。

监管环境和行业标准

在2025年，量子波导工程的监管环境和行业标准正在迅速发展，以应对量子技术日益增加的商业化和实际部署。量子波导对于引导和操控光和物质的量子态至关重要，支撑着量子通信、量子传感和量子计算等新兴领域。它们的广泛集成需要协调的技术标准和清晰的监管指导，特别是在安全、互操作性和国际合作等领域。

多个行业机构积极参与设定基础标准。国际电信联盟（ITU）继续在量子信息技术标准化方面发挥领导作用，包括用于安全通信网络的量子波导接口。在2024年至2025年期间，ITU的量子信息技术网络焦点小组（FG-QIT4N）已优先定义量子波导系统的参考架构和互操作性要求，旨在促进其与现有光纤和光子基础设施的集成。

在硬件领域，像AISthesis和NKT Photonics这样的公司正在积极开发量子级光子波导。他们与国际标准机构的合作确保设备规格（如衰减、耦合效率和模式纯度）符合量子级性能的新基准。量子经济发展联盟（QED-C）正在与行业利益相关者合作，建立测试和认证量子光子组件（包括波导）的指导方针，以支持互操作性和供应链信任。

在监管方面，国家机构开始关注与量子波导技术相关的出口管制和网络安全影响。例如，美国工业安全局（BIS）更新了对量子启用硬件的管制，反映了对双重用途应用和技术主权的担忧。类似的倡议在欧盟内也在进行，欧洲委员会正在支持量子旗舰计划，以协调成员国之间的监管和标准化活动。

展望未来，未来几年将见证全球标准组织、制造商和监管机构之间更深入的协调，以应对量子波导工程的独特挑战。将重点放在设备特性、安全性和互操作性的标准化，同时在创新与地缘政治和伦理考量之间取得平衡。该行业可能会看到新的认证计划和跨境合作框架的推出，以加速量子波导技术在全球的安全和可扩展部署。

投资趋势：融资、并购活动和初创企业生态系统

量子波导工程作为可扩展量子光子学和量子信息处理的基石，正经历显著的投资和初创企业活动的动力，截至2025年。这一激增是由于对集成量子光子学作为实现通信、计算和传感的实用量子技术的日益认可。

近年来，显著的风险投资和企业投资流入了专注于量子波导制造、集成和设备工程的初创企业。领先的企业如保罗·谢尔研究所，尽管是一个研究机构，但已经孵化并与多家公司合作，开发先进的硅光子学和量子波导平台。在2023年至2024年期间，像PsiQuantum（美国/英国）这样的初创企业吸引了高调的融资轮，投资超过7亿美元，以加速依赖低损耗和可扩展波导架构的光子量子计算机的发展。

在欧洲，Qnami和QuiX Quantum自2023年以来均完成了可观的A轮融资，专注于基于先进波导工程的集成光子电路和可重构量子处理器。例如，QuiX Quantum在2024年宣布交付世界上最大的光子量子处理器，利用专有的低损耗波导技术。

并购活动也在加剧，成熟的光子学和半导体公司寻求整合量子波导能力。全球光电领导者ams OSRAM在2023年底通过收购专注于量子光源波导制造的初创企业，扩大了其量子技术组合。类似地，英特尔公司和IBM Quantum在针对集成光子学的战略投资和收购方面增加了投资，重点关注可扩展的量子计算芯片波导平台。

初创企业生态系统日益全球化，加拿大、荷兰和以色列的活动尤为显著。像Québec Quantique这样的组织促进了区域集群，支持量子波导工程的早期阶段企业，并促进对政府支持的融资计划的访问。

展望2025年及以后的未来，量子波导工程的投资前景依然强劲。先进材料、半导体加工和量子信息科学的交汇预计将推动更多的并购活动并吸引新进入者。随着量子光子学向商业可行性迈进，波导工程初创企业可能会继续成为风险投资和战略企业投资者的高优先级投资目标。

未来展望：2030年的路线图和潜在干扰

预计量子波导工程将在2025年及本十年后半段经历重大进展，受到全球对量子技术的投资和成熟制造能力的催化。该领域支撑着在微型电路内控制光子和电子量子态，越来越成为可扩展量子计算、安全通信和精密传感的基础。

截至2025年，多个里程碑正在塑造行业路线图。美国国家标准与技术研究院（NIST）在降低损耗和集成基于硅的量子波导方面取得了显著进展，这对于高保真量子操作至关重要。英特尔公司与领先研究机构之间的合作加速了与CMOS工艺兼容的光子波导的开发，这是大规模可制造量子处理器的关键步骤。

商业实体也在加速量子波导技术的发展。保罗·谢尔研究所和IBM Quantum已经展示了超导和光子波导的芯片级集成，实现了多量子比特的连接性和更可靠的量子互连。Infinera Corporation报告了超低损耗光波导的进展，这对于量子网络和中继技术至关重要，并在封装和稳定性方面进行持续研究。

到2030年的展望显示出几个关键轨迹：

混合集成：光子、超导和半导体波导的融合预计将产生混合量子系统，Xanadu Quantum Technologies和Rigetti Computing正致力于此。这些平台可能会提供新的错误校正和模块化扩展协议。
标准化：包括IEEE和连接标准联盟主导的行业努力，旨在定义量子光子组件的互操作性和基准测试，从而促进更广泛的采用和供应链的稳健性。
制造干扰：从实验室规模的波导原型向工业规模制造的过渡仍然是一个挑战。然而，GlobalFoundries和伦敦帝国学院量子工程的倡议专注于可扩展光刻和高通量测试，可能会干扰传统设备开发周期。

到2030年，量子波导工程有望支撑稳健、可制造的量子硬件，跨学科合作和国际标准化努力可能会带来突破性进展。

案例研究：开创性部署和现实影响（引用例如 ibm.com, intel.com, ieee.org）

量子波导工程处于量子技术创新的最前沿，使得对量子态的精确控制和操控成为可能，应用于计算、传感和安全通信。在2025年，几个开创性案例研究突显了这一领域的成熟，标志着具体部署和可证明的现实影响。

最显著的倡议之一是将光子波导集成到量子计算平台中。IBM通过将基于硅的量子波导集成到其量子处理器中，取得了显著进展，旨在增强量子比特的连接性和可扩展性。他们最新的量子路线图强调了波导工程在实现低损耗、高保真光子互连方面的重要性，这对于多芯片量子系统至关重要。这些进展反映在IBM最新发布的Eagle和Condor量子处理器中，其中光子集成在噪声降低和错误缓解中发挥了关键作用。

类似地，英特尔展示了使用先进CMOS工艺制造的量子波导阵列的实际部署。英特尔在2024年推出的Horse Ridge II低温控制器，通过波导将精确的射频信号以规模化方式传递给量子比特。这一创新不仅简化了控制架构，还为具有数千个互连量子比特的工业规模量子处理器奠定了基础。

在光子量子通信方面，东芝公司在日本和英国的城市光纤网络上使用集成量子波导电路进行量子密钥分发（QKD）的现场试验。它们的部署展示了波导支持的QKD链接超过600公里，展示了工程波导平台在现实电信环境中的稳健性和可扩展性。

行业机构如IEEE正在积极制定集成量子光子学的标准，IEEE光子学协会促进波导特性和互操作性方面的合作框架。这种标准化正在促进一个日益增长的生态系统，使初创企业和成熟企业能够加速量子波导技术的产品化和部署。

展望未来，未来几年有望看到量子波导工程进一步扩展到混合量子系统中，光子和超导量子比特通过低损耗、可调波导互连。随着私营和公共部门的持续投资，预计在安全通信、量子传感和可扩展计算架构中的现实部署将不断增加，巩固量子波导工程作为量子技术领域的基石。