思科推出通用量子交换机原型 保真度损失仅4%

  ICC讯  上周四（2026年4月23日），思科发布了一款交换机的工作原型，该交换机旨在不同厂商的系统之间传输和转发量子信息，从而实现互操作性。

  量子信息转换引擎

  据该公司称，该交换机的核心是一个获得专利的量子计算转换引擎，能够在输入端和输出端识别所有编码模式。值得注意的是，该路由过程能够保留量子信息——这在量子计算中是一项非常规要求——并且可在室温下通过标准电信光纤基础设施运行。在特定试验中，该公司报告称量子信息完整性得以保持，编码和纠缠过程中的保真度损失被限制在4%。

  思科表示，其首款通用量子交换机测试模型构成了其更广泛量子网络框架的核心组成部分，该框架是多年研究、广泛验证以及不断扩大的战略合作的结果。

通用量子交换机（来源：思科）

  量子态：叠加与纠缠

  量子计算和量子网络的关键支柱之一是量子比特，即普通二进制比特在量子领域的扩展。这两种信息单位在概念上的区别在于：量子比特以量子态的线性叠加形式表示信息，每个量子态都关联一个归一化的概率幅。这意味着总概率始终为1，反映了测量时的绝对确定性。

  量子比特可以使用多种物理平台来实现，包括超导电路、量子点、离子阱、光子系统和中性原子。虽然每种方法可能处于不同的成熟度发展阶段，各有优缺点，但建造一台拥有数百万量子比特的实用机器的目标仍然遥远。

  更为反直觉的是纠缠，这是一种粒子（包括光子）之间的量子关联。这一特性在量子通信中至关重要，可实现从分布式计算到网络安全的各种应用。

  通常，量子信息可以根据架构以不同方式编码，例如光子的偏振、相位或时间仓状态。然而，这导致不同系统之间缺乏互操作性。

  在路由过程中保留量子信息本质上是一项艰巨的任务，因为量子态对环境噪声（如热、电磁波、宇宙射线）高度敏感，这些噪声可能引起退相干。因此，在保持信息完整性的同时克服这些限制，对于开发可扩展的、实际可用的量子网络至关重要。

  开启量子时代

  量子比特通常分为物理量子比特和逻辑量子比特。一个物理量子比特就是一个单一的硬件，比如一个中性原子或一个光子。由于退相干，量子信息可能在不到一秒的时间内丢失。因此，在单个物理量子比特上执行复杂计算非常容易出错。解决方案是通过将多个物理量子比特分组并使用量子纠错码来创建称为逻辑量子比特的“虚拟”量子比特。一组中的物理量子比特共同行动以存储一个单位的量子信息。通过监测这些物理量子比特之间的相互作用或关联（而不干扰它们的状态），系统可以检测到其中一个量子比特是否出错并进行干预以修复错误。

  今天的量子计算机还没有足够数量的逻辑量子比特来应对金融、医疗保健、材料科学、天气预报或航空航天等领域的高价值应用。在这些环境中，科学家估计需要1000到10000个物理量子比特才能生成一个无差错的逻辑量子比特。

  在这种背景下，思科正转向量子网络和连接来弥合这一差距，这就像是量子世界的互联网复制品。

  思科新兴技术与孵化集团Outshift的高级副总裁兼总经理Vijoy Pandey表示：“我们早就认识到，连接量子系统是实现真正可扩展性的关键，现在我们朝着实现这一愿景迈出了关键一步。”

  历史重演

  能够解决当今最棘手问题的量子计算机的发展路径不一定依赖于建造越来越大的机器。更可能的方法是通过专门的量子网络将多个量子处理器互连起来。这一里程碑正在临近。

  经典计算在过去也经历过类似的转折点，通过将较小的处理节点连接成分布式系统来克服扩展限制。量子计算似乎正在遵循类似的轨迹：其全部潜力不太可能通过单台机器实现，而是通过分布式的量子数据中心实现，在这些中心里，处理器通过专用网络进行互操作。

  在新的方案中，通用量子交换机起到了关键作用。当两台量子计算机（甚至来自不同供应商）需要共享信息时，通用量子交换机以任何编码方式接收信号，将其转换为用于路由的通用代码，并以接收系统所需的格式传输，同时不会在通道中丢失任何量子信息。

  支持主要量子编码模式

  在量子网络中，光子充当量子信息的高速载体，在光纤电缆中长距离传输，并编码脆弱的量子态。思科表示，其设计的量子交换机支持用于传输信息的所有主要编码模式：

  - 偏振（电磁场的方向）

  - 时间仓（光子的相对到达时间）

  - 频率仓（光的颜色或频率）

  - 路径（光子所走的物理路线）

  思科选择使用偏振来实验验证交换机的功能。这种方法利用光子携带的电场方向来定义量子态。根据光子是水平偏振还是垂直偏振，可以定义基态“0”和“1”，因此任何量子态都可以表示为这些基态（或线性代数中的基向量）的线性叠加，其系数对应于概率幅。

  然而，由于温度波动、弯曲或结构缺陷，光纤可能会改变偏振。因此需要主动补偿。在接收光子时，交换机必须正确路由编码的量子态，同时保持其相干性。

  此外，思科还在设计中加入了时间仓和频率仓，为下一步验证做准备。

  纠缠芯片与实验结果

  思科的量子网络是围绕一个与加州大学圣巴巴拉分校共同开发的纠缠芯片构建的。该芯片产生纠缠光子对（通常通过非线性光学过程），这些光子的量子态是强关联的。

  具体来说，在这样一个非线性过程中，一个单光子被转换为两个能量较低的光子，它们的属性通过能量和动量守恒定律联系起来。这产生了一个非局域的联合量子态，光子在其中变得纠缠。

  这种分布式量子资源是量子信息传输的基础：通过将两个纠缠光子中的一个分配给节点A，另一个分配给节点B，网络自动在节点之间建立非局域关联。一旦建立这样的链接，涉及节点A上量子比特的任何操作都会立即约束节点B上量子比特的相应状态：这就是量子协议的协调。

  建立的关联可以承受长距离，并支持量子隐形传态，即结合经典通信传输量子态（而不是物理粒子）。

  使用思科通用量子交换机的测试确认了基本要求：量子信息可以在整个生态系统模块中快速、可靠地路由和处理，且不降低相干性。此外，该交换机在亚纳秒时间尺度上运行，能够在短至1纳秒的时间间隔内重新配置连接。最后，功耗仅为1毫瓦量级。

  量子网络的未来

  量子网络是一项有前途的技术，尽管仍处于起步阶段。今天的基础设施可以连接共享相同编码协议的量子系统，但思科表示其通用量子交换机支持多种模式，并在现有光纤平台上运行。

  值得注意的是，它在室温下运行，而当今大多数量子系统需要庞大而昂贵的低温制冷机。

  通过实现不同标准之间的互操作性，思科表示通用量子交换机消除了部署的一个关键障碍，并使潜在用户摆脱了对单一供应商的依赖。

  作为思科在硬件、软件和应用层全面堆栈战略的一部分，通用量子交换机被定位为开发可扩展、分布式量子网络的组件，旨在支持向实用量子计算应用的进展。

  （本文作者：Filippo Di Giovanni）

  原文：Cisco’s Universal Quantum Switch Ushers in Quantum Networking - EE Times  https://www.eetimes.com/ciscos-universal-quantum-switch-ushers-in-quantum-networking/