量子網絡糾纏芯片問世！
2025-05-08 16:10:18 EETOP本周，思科系統公司（Cisco Systems）推出了一款量子網絡糾纏芯片，這是與加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）合作開發的原型產品。思科研發部門及孵化器Outshift的高級副總裁維喬伊·潘迪（Vijoy Pandey）表示，該芯片將加速“有影響力的”量子計算應用的到來。
與此同時，這家網絡巨頭還在加州圣莫尼卡開設了思科量子實驗室（Cisco Quantum Labs）。
糾纏芯片的推出，進一步引發了人們對量子計算最終全面實現時將呈現何種面貌的討論。照片中那些吊燈般的量子系統看起來令人印象深刻，但量子計算很可能將以分布式和類似云的方式運行，即通過量子網絡連接較小的系統，以實現更便捷的可擴展性，就像如今的經典計算機一樣。
潘迪在一篇博客文章中指出，該行業面臨的挑戰在于，雖然量子應用將需要數百萬個量子比特，但目前的量子系統僅包含數十個或數百個量子比特，許多路線圖預計到本世紀末這一數字將增長至數千個。
他寫道：“幾十年前，經典計算也面臨著類似的挑戰，直到我們開始通過網絡基礎設施將較小的節點連接起來，在數據中心和云計算中構建強大的分布式系統。正如大型經典單體計算機系統逐漸被淘汰一樣，量子計算的未來并不在于單一的巨型量子計算機。通過專用網絡實現處理器協同工作的擴展型量子數據中心，才是切實可行且可實現的前進道路。”
量子網絡不可或缺
思科科學家在一份研究論文中寫道，要構建一個分布式量子計算環境，并使其能夠超越當前和近期系統中相對較少的量子比特數量，實現更快速的擴展，就需要量子網絡基礎設施。
這樣的量子數據中心涉及“多個量子處理單元（QPU）……通過網絡連接在一起，形成分布式架構，從而能夠擴展以滿足大規模量子計算的需求”。“最終，這些量子數據中心將構成全球量子網絡或量子互聯網的骨干，實現全球范圍內的無縫互聯。”
量子網絡糾纏芯片是構建這一數據中心的基礎。糾纏對于量子計算至關重要，因為它能讓成對的量子比特——在思科的案例中是光子——即使相隔甚遠也能保持連接，這是經典比特無法做到的，也正是這一點讓量子系統比傳統計算機強大得多。
成對光子
據思科研究主管兼杰出工程師拉馬納·孔佩拉（Ramana Kompella）以及量子研究和量子實驗室負責人雷扎·內賈巴蒂（Reza Nejabati）介紹，該芯片原型在硅晶圓平臺上采用了III-V族半導體波導中的自發四波混頻技術——這是一種用于糾纏光子對的過程，每秒每通道可產生超過一百萬對可用的糾纏光子對，整塊芯片每秒則可產生高達2億對。
它的保真度也達到了99%，且效率極高，功耗低于1毫瓦（mW），并可在室溫下運行，無需專門的冷卻技術，這使得該芯片在現代數據中心中非常實用。研究人員還表示，他們“能夠在同一塊芯片上創建糾纏源陣列，實現大規模復用，以滿足高速端到端和多用戶量子網絡的需求，使其成為當今最亮的芯片級光源”，孔佩拉和內賈巴蒂寫道。
它還可以與現有的光纖基礎設施集成，從而在現有環境中使用。
交換機與網卡
這款糾纏芯片將是思科正在構建的整個量子數據中心的核心，其中將包含當前經典網絡中的新版本組件，包括交換機和網卡。
“量子網絡需要全新的組件，這些組件需在量子力學層面發揮作用，”他們寫道。“在構建量子網絡時，我們無法像經典網絡那樣對信息進行數字化處理——我們必須在整個傳輸過程中保持量子特性。這需要專門的硬件、軟件和協議，與經典網絡中的任何技術都截然不同。”
量子交換機的設計包括波導，用于在不測量或觀察量子比特的情況下對其進行路由，因為測量或觀察可能會引入噪聲、光、振動或其他環境因素，從而破壞脆弱的量子態。量子網卡將與供應商無關，負責將量子芯片連接到網絡，而分布式編譯器則負責將量子算法分配到各個進程中，并安排糾纏的分布。
據潘迪介紹，思科正在為量子網絡堆棧開發其他組件，從糾纏分發協議到量子網絡開發工具包（QNDK）。
他寫道，這種硬件和軟件的雙重開發是思科戰略的關鍵部分，使公司能夠了解各個組件如何協同工作以創建網絡環境。
“雖然一些公司只專注于一種類型的量子計算技術（超導、離子阱或中性原子系統），但思科正在構建一個與供應商無關的框架，該框架可與任何量子計算技術配合使用，”潘迪寫道，并補充說，這讓思科能夠像英偉達看待自己一樣——成為各種量子技術的推動者和助力者，而非對這一新興行業持狹隘觀點的供應商。
