思科推出原型量子交换机，加速构建实用量子网络

思科近日发布了一款原型交换机，该公司表示，这款设备将大幅提前实用化分布式量子计算网络的落地时间表。

思科通用量子交换机的设计目标是在室温环境下，通过标准电信光纤，连接来自IBM、IonQ、谷歌和Rigetti等不同厂商的量子系统，并兼容所有主流量子比特编码技术。上述信息由思科新兴技术与孵化部门Outshift的高级副总裁兼总经理Vijoy Pandey披露。

Pandey表示："目前量子计算机的规模大约在100到1000个量子比特之间。根据各主要量子厂商公开的技术路线图，我们预计这一数字将在未来三年内增长至10000个量子比特。量子计算机当然会随着时间推移变得更大，但一旦开始互联，就会带来严峻的扩展性问题。这款交换机的作用，就是有效连接多台小型量子计算机，构建大型分布式量子计算机，使扩展速度远超单独构建一台超大型量子计算机的方式。"

他进一步表示："这是一项基础性技术，能让我们从点对点的直连方式，迈向构建量子网络、进而在规模上搭建量子互联网的阶段。它不仅可以在数据中心内大规模连接量子计算机，还能在互联网上大规模连接量子传感器。"

思科通用量子交换机的工作方式与当前构成互联网骨干的多厂商交换机类似——无论底层协议和设备如何，都能实现互联互通。当两台量子计算机需要共享信息时，通用量子交换机会接收任意模态的信号，将其转换为统一的路由语言，再以接收方系统所需的格式进行传输，全程不会丢失任何量子信息。

在概念验证实验中，该交换机在编码和纠缠保真度方面的量子信息损耗低于4%。

这一能力得益于思科专利的转换引擎——其输出模态可与输入相同，也可完全不同，从而使量子交换机能够连接并转换原本设计上互不兼容的量子系统。思科认为，这是构建跨厂商、跨技术量子网络的关键能力。

Pandey介绍说："该交换机采用非阻塞设计，允许多个光子同时流经芯片，每个光子独立路由，同时保持其量子态，从而实现灵活可扩展的量子网络。"

目前用于承载量子信息的主要编码模态包括：

偏振编码（光波的振动方向）

时间箱编码（光脉冲的时序）

频率箱编码（光的颜色或频率）

路径编码（物理或空间路径）

目前，量子交换机已通过偏振编码的实验验证。Pandey表示，时间箱编码和频率箱编码的支持已内置于交换机设计中，将作为思科持续验证流程的下一步推进。

此外，该交换机还可用于汇聚和处理量子传感设备的数据，这类设备已被或将被应用于医疗健康、导航、能源及基础设施等多个领域。

思科通用量子交换机是该公司量子技术布局的最新组成部分，其整体目标是提供面向数据中心的完整量子技术栈。

去年9月，思科发布了一套原型软件包，旨在支持分布式量子计算网络并满足实时应用需求。该软件栈共分三层：应用层包含支持网络感知的分布式量子计算编译器，可在联网量子数据中心中执行量子算法；控制层包含量子网络协议与算法，负责支撑上层应用，并通过北向和南向API管理量子网络中的软硬件设备；第三层为设备支持层，提供面向物理设备的SDK和API，以及仿真与模拟设备库。

通用量子交换机的基础是Outshift于去年五月发布的量子纠缠芯片。该芯片可生成纠缠光子对，无论距离多远，这些光子对都能瞬时传递量子态，且每秒可生成2亿对纠缠光子。该芯片在室温下运行，功耗极低，采用现有电信频率工作，并兼容现有光纤基础设施，无需对任何现有设备进行替换或升级。此外，由于上述特性，用户可将支持该芯片的设备与现有经典计算机基础设施并行部署。

Pandey总结道："量子未来不会由任何一家公司或任何一项技术单独构建，而是要通过这项技术将所有力量连接在一起。"

Q&A

Q1：思科通用量子交换机是什么？它的主要功能是什么？

A：思科通用量子交换机是一款原型交换机，设计用于在室温下通过标准电信光纤，连接来自不同厂商（如IBM、IonQ、谷歌、Rigetti）的量子系统。它能接收任意模态的量子信号，转换为统一路由语言后再传输给接收方，全程量子信息损耗低于4%。其核心价值在于将多台小型量子计算机连接成大型分布式量子计算机，解决量子计算的扩展性问题。

Q2：思科通用量子交换机如何保证不同厂商量子系统之间的兼容性？

A：思科通用量子交换机通过一项专利转换引擎实现跨厂商兼容。该引擎可将接收到的任意编码模态（如偏振、时间箱、频率箱、路径编码）转换为目标系统所需的格式，使原本互不兼容的量子系统得以互联互通。目前已完成偏振编码的实验验证，时间箱和频率箱编码支持也已内置于设计中，正在推进后续验证。

Q3：思科通用量子交换机的底层硬件基础是什么？

A：思科通用量子交换机基于Outshift于2024年5月发布的量子纠缠芯片。该芯片每秒可生成2亿对纠缠光子，在室温下运行，功耗低，采用标准电信频率，可直接在现有光纤上传输，无需更换现有基础设施，支持与经典计算机基础设施并行部署。