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本周，思科系統(tǒng)公司（Cisco Systems）推出了一款量子網(wǎng)絡(luò)糾纏芯片，這是與加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）合作開(kāi)發(fā)的原型產(chǎn)品。思科研發(fā)部門及孵化器Outshift的高級(jí)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(jì)算應(yīng)用的到來(lái)。 

與此同時(shí)，這家網(wǎng)絡(luò)巨頭還在加州圣莫尼卡開(kāi)設(shè)了思科量子實(shí)驗(yàn)室（Cisco Quantum Labs）。 

糾纏芯片的推出，進(jìn)一步引發(fā)了人們對(duì)量子計(jì)算最終全面實(shí)現(xiàn)時(shí)將呈現(xiàn)何種面貌的討論。照片中那些吊燈般的量子系統(tǒng)看起來(lái)令人印象深刻，但量子計(jì)算很可能將以分布式和類似云的方式運(yùn)行，即通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)連接較小的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更便捷的可擴(kuò)展性，就像如今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣。

潘迪在一篇博客文章中指出，該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)在于，雖然量子應(yīng)用將需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，但目前的量子系統(tǒng)僅包含數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)量子比特，許多路線圖預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末這一數(shù)字將增長(zhǎng)至數(shù)千個(gè)。 

他寫道：“幾十年前，經(jīng)典計(jì)算也面臨著類似的挑戰(zhàn)，直到我們開(kāi)始通過(guò)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將較小的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，在數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算中構(gòu)建強(qiáng)大的分布式系統(tǒng)。正如大型經(jīng)典單體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)逐漸被淘汰一樣，量子計(jì)算的未來(lái)并不在于單一的巨型量子計(jì)算機(jī)。通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)處理器協(xié)同工作的擴(kuò)展型量子數(shù)據(jù)中心，才是切實(shí)可行且可實(shí)現(xiàn)的前進(jìn)道路。” 

量子網(wǎng)絡(luò)不可或缺

思科科學(xué)家在一份研究論文中寫道，要構(gòu)建一個(gè)分布式量子計(jì)算環(huán)境，并使其能夠超越當(dāng)前和近期系統(tǒng)中相對(duì)較少的量子比特?cái)?shù)量，實(shí)現(xiàn)更快速的擴(kuò)展，就需要量子網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。 

這樣的量子數(shù)據(jù)中心涉及“多個(gè)量子處理單元（QPU）……通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成分布式架構(gòu)，從而能夠擴(kuò)展以滿足大規(guī)模量子計(jì)算的需求”?！白罱K，這些量子數(shù)據(jù)中心將構(gòu)成全球量子網(wǎng)絡(luò)或量子互聯(lián)網(wǎng)的骨干，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的無(wú)縫互聯(lián)。” 

量子網(wǎng)絡(luò)糾纏芯片是構(gòu)建這一數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)。糾纏對(duì)于量子計(jì)算至關(guān)重要，因?yàn)樗茏尦蓪?duì)的量子比特——在思科的案例中是光子——即使相隔甚遠(yuǎn)也能保持連接，這是經(jīng)典比特?zé)o法做到的，也正是這一點(diǎn)讓量子系統(tǒng)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大得多。 

成對(duì)光子

據(jù)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(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人雷扎·內(nèi)賈巴蒂（Reza Nejabati）介紹，該芯片原型在硅晶圓平臺(tái)上采用了III-V族半導(dǎo)體波導(dǎo)中的自發(fā)四波混頻技術(shù)——這是一種用于糾纏光子對(duì)的過(guò)程，每秒每通道可產(chǎn)生超過(guò)一百萬(wàn)對(duì)可用的糾纏光子對(duì)，整塊芯片每秒則可產(chǎn)生高達(dá)2億對(duì)。 

它的保真度也達(dá)到了99%，且效率極高，功耗低于1毫瓦（mW），并可在室溫下運(yùn)行，無(wú)需專門的冷卻技術(shù)，這使得該芯片在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中非常實(shí)用。研究人員還表示，他們“能夠在同一塊芯片上創(chuàng)建糾纏源陣列，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)用，以滿足高速端到端和多用戶量子網(wǎng)絡(luò)的需求，使其成為當(dāng)今最亮的芯片級(jí)光源”，孔佩拉和內(nèi)賈巴蒂寫道。 

它還可以與現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施集成，從而在現(xiàn)有環(huán)境中使用。 

交換機(jī)與網(wǎng)卡

這款糾纏芯片將是思科正在構(gòu)建的整個(gè)量子數(shù)據(jù)中心的核心，其中將包含當(dāng)前經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的新版本組件，包括交換機(jī)和網(wǎng)卡。 

“量子網(wǎng)絡(luò)需要全新的組件，這些組件需在量子力學(xué)層面發(fā)揮作用，”他們寫道?！霸跇?gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們無(wú)法像經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)那樣對(duì)信息進(jìn)行數(shù)字化處理——我們必須在整個(gè)傳輸過(guò)程中保持量子特性。這需要專門的硬件、軟件和協(xié)議，與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的任何技術(shù)都截然不同?！?nbsp;

量子交換機(jī)的設(shè)計(jì)包括波導(dǎo)，用于在不測(cè)量或觀察量子比特的情況下對(duì)其進(jìn)行路由，因?yàn)?a href="http://www.xebio.com.cn/measurement" target="_blank" class="keylink">測(cè)量或觀察可能會(huì)引入噪聲、光、振動(dòng)或其他環(huán)境因素，從而破壞脆弱的量子態(tài)。量子網(wǎng)卡將與供應(yīng)商無(wú)關(guān)，負(fù)責(zé)將量子芯片連接到網(wǎng)絡(luò)，而分布式編譯器則負(fù)責(zé)將量子算法分配到各個(gè)進(jìn)程中，并安排糾纏的分布。 

據(jù)潘迪介紹，思科正在為量子網(wǎng)絡(luò)堆棧開(kāi)發(fā)其他組件，從糾纏分發(fā)協(xié)議到量子網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具包（QNDK）。 

他寫道，這種硬件和軟件的雙重開(kāi)發(fā)是思科戰(zhàn)略的關(guān)鍵部分，使公司能夠了解各個(gè)組件如何協(xié)同工作以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 

“雖然一些公司只專注于一種類型的量子計(jì)算技術(shù)（超導(dǎo)、離子阱或中性原子系統(tǒng)），但思科正在構(gòu)建一個(gè)與供應(yīng)商無(wú)關(guān)的框架，該框架可與任何量子計(jì)算技術(shù)配合使用，”潘迪寫道，并補(bǔ)充說(shuō)，這讓思科能夠像英偉達(dá)看待自己一樣——成為各種量子技術(shù)的推動(dòng)者和助力者，而非對(duì)這一新興行業(yè)持狹隘觀點(diǎn)的供應(yīng)商。