思科（Cisco）近日發(fā)布了一款通用量子交換機(jī)（Universal Switch）原型，旨在解決量子網(wǎng)絡(luò)互操作性這一核心技術(shù)瓶頸。該設(shè)備設(shè)計(jì)為可在常溫環(huán)境下運(yùn)行，兼容現(xiàn)有電信標(biāo)準(zhǔn)光纖基礎(chǔ)設(shè)施，并能在不同供應(yīng)商量子系統(tǒng)之間路由和轉(zhuǎn)換量子信息。

根據(jù)思科公布的概念驗(yàn)證測試結(jié)果，該原型在量子態(tài)保真度和量子糾纏兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上的損耗均低于4%。公司表示，完整測試數(shù)據(jù)將于近期以研究論文形式發(fā)布于預(yù)印本平臺(tái)ArXiv。

常溫運(yùn)行兼容現(xiàn)有光纖：打破基礎(chǔ)設(shè)施壁壘

對電信行業(yè)而言，此次發(fā)布Zui具價(jià)值的亮點(diǎn)在于其基礎(chǔ)設(shè)施兼容性。該量子交換機(jī)運(yùn)行頻率與現(xiàn)有電信標(biāo)準(zhǔn)一致，所用光纖即目前互聯(lián)網(wǎng)流量所依賴的標(biāo)準(zhǔn)光纖，無需為量子通信另鋪專用線路。

更為關(guān)鍵的是，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了常溫操作。目前，絕大多數(shù)量子計(jì)算組件依賴極低溫制冷——通常需將溫度降至接近零度，這對基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜度和成本提出了極高要求。思科宣稱此次發(fā)布的原型無需此類專用制冷環(huán)境，若后續(xù)驗(yàn)證屬實(shí)，將大幅降低量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署門檻。

思科同時(shí)坦承，量子網(wǎng)絡(luò)整體仍處于發(fā)展早期，目前尚不存在可廣泛連接各類量子系統(tǒng)的成熟基礎(chǔ)設(shè)施。該設(shè)備目前定位為功能性原型，距大規(guī)模商業(yè)部署仍有距離。

專利轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)量子編碼互通

量子計(jì)算機(jī)對信息的編碼方式各不相同，主流方式包括偏振（polarization）、時(shí)間箱（time-bin）、頻率箱（fre）和路徑（path）四種模態(tài)。由于編碼方式不同，不同廠商的量子系統(tǒng)往往無法直接"對話"，成為量子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的根本障礙。

思科為該交換機(jī)申請了專利的轉(zhuǎn)換機(jī)制，可在信號(hào)輸入和輸出端對上述不同編碼模態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換——輸出模態(tài)可與輸入模態(tài)相同，也可不同，從而使原本無法互通的量子系統(tǒng)得以協(xié)同工作。目前，偏振編碼已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；時(shí)間箱和頻率箱編碼的支持已納入設(shè)備設(shè)計(jì)，待進(jìn)入下一階段驗(yàn)證。

思科將該量子交換機(jī)類比為互聯(lián)網(wǎng)中的經(jīng)典交換機(jī)：在經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中，正是交換機(jī)的路由功能避免了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)兩兩直連的低效局面，使共享基礎(chǔ)設(shè)施成為可能。量子交換機(jī)試圖在量子網(wǎng)絡(luò)層面扮演同等角色，但在實(shí)踐規(guī)模上是否可行，仍有賴于量子網(wǎng)絡(luò)整體生態(tài)的持續(xù)推進(jìn)。

納秒級(jí)光電交換與超低功耗：關(guān)鍵性能指標(biāo)揭秘

在性能參數(shù)層面，思科公布的數(shù)據(jù)頗為亮眼。測試中，通用量子交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了亞納秒級(jí)光電交換，連接重配置時(shí)間達(dá)1納秒；功耗方面，該設(shè)備報(bào)告值低于1毫瓦，能耗極為克制。

概念驗(yàn)證測試由思科研究人員主導(dǎo)，使用了公司自研的糾纏光源和單光子探測器，在全內(nèi)部生態(tài)下完成了量子信息的路由與轉(zhuǎn)換驗(yàn)證，證明量子信息在交換過程中不會(huì)被破壞。

通用量子交換機(jī)是思科量子網(wǎng)絡(luò)全棧（full-stack）產(chǎn)品組合的組成部分之一。該組合還包括：用于產(chǎn)生糾纏光子的糾纏芯片，以及集成網(wǎng)絡(luò)智能的量子編譯器。三者共同構(gòu)成思科在量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的系統(tǒng)性布局，劍指未來可互操作量子互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。