思科：量子网络将成为下一代网络的未来

粒子纠缠、叠加态与量子隐形传态是量子物理学中的核心概念。爱因斯坦曾将这些现象称为"鬼魅般的超距作用"。

量子计算正是将这种"鬼魅"变为现实的新兴技术领域，而量子网络则是让量子计算真正发挥价值的关键——它将多个量子系统连接在一起。思科认为，量子网络的实用价值不止于此，它对我们今天日常使用的传统网络同样能产生实质性影响。

在思科Live大会的深度技术专场上，思科研究院负责人、思科院士拉马纳·孔佩拉详细阐述了量子网络的定义、理论层面的工作原理，以及思科正在构建的面向现实应用的相关技术。

孔佩拉指出，制约量子计算实用化的瓶颈并不在于处理器本身，而在于连接各处理器的网络。他的论点直接借鉴了传统基础设施的发展历史：正是那套构建起现代互联网的横向扩展方法论，有望将实用量子计算的到来提前数十年。

"通过借鉴我们在传统基础设施中成功运用的横向扩展方法论，量子网络可以将实用量子计算的到来提前数十年。"孔佩拉说道。

量子网络与传统网络的本质区别

理解量子网络的出发点，在于认清它为何不能按传统网络的方式来构建。

"量子网络与传统网络有着本质区别。"孔佩拉说。

在传统网络中，数据以数据包的形式通过交换机和路由器传输。而在量子网络中，信息并非直接传输，而是通过在节点之间分发纠缠光子对来实现。纠缠将两个光子关联在一起，使得对其中一个光子状态的测量能够瞬间确定另一个的状态，无论两者相距多远。

量子比特（Qubit）：传统计算用比特（0和1）处理数据，量子计算则使用量子比特，即利用叠加态特性的量子信息单元。叠加态意味着量子比特在被测量之前，可以同时表示0、1或两者的任意组合。这种同时持有多种状态的能力，正是量子计算机拥有强大计算潜力的根源。每对纠缠光子可以传输恰好一个量子比特的信息。

量子隐形传态：量子网络并非将量子比特直接通过导线发送，而是利用纠缠光子对，将量子信息从发送方传递给接收方。这一过程被称为"隐形传态"，因为量子比特在发送端消失，并在接收端重新出现，中间并不经过物理传输。

光速限制：隐形传态听起来像是瞬时完成的，从某种意义上说确实如此，但接收方仍须等到一个传统信号到达、告知如何解读该量子比特后，才能实际使用它。这个传统信号以光速传播，信息传输速度不会超过光速。

思科的量子硬件布局

在掌握上述基本原理后，问题就转化为：如何构建能够大规模分发纠缠的基础设施？思科已研发出两款专为解决这一问题而设计的硬件。

纠缠光源：去年五月发布的思科纠缠光源每秒可生成2亿对纠缠光子对。该装置工作在标准电信频段，可直接在现有光纤基础设施上运行，无需专用量子光纤网络，也无需低温制冷硬件，可在室温下正常工作。

通用量子交换机：孔佩拉专场的核心亮点，是他从衬衣口袋里取出的一块芯片——思科通用量子交换机的原型，由薄膜铌酸锂材料制成。

"人们平时经常从口袋里掏出可插拔模块，今天我有机会从口袋里掏出量子交换机芯片来展示一下。"孔佩拉笑着说。

标准光学交换硬件无法用于量子网络，因为它会干扰被传输的脆弱量子态。思科的这款交换机专为在交换操作中保护量子信息而设计。

"通用"二字来源于其模态转换能力。量子计算机的构造并不统一——超导、中性原子、离子阱和光子系统各自以不同方式编码量子信息，分别使用偏振、时间分区、频率分区等不同模态。仅支持单一编码类型的交换机会将运营商绑定在单一硬件供应商上。思科通用量子交换机可在各模态之间相互转换，使单一网络结构能够互联异构量子处理器。

"我们正在构建交换机和网络结构，目的是互联所有类型的量子处理器，而不局限于某一种。"孔佩拉说。

架构设计与网络协议

思科的架构以交换机为核心，采用基于Pod的拓扑结构，与传统数据中心设计如出一辙：处理器和共享资源被分组到各个Pod中，通过多层交换互联。

量子处理器之间的端到端纠缠需要三种协议来实现：

发射-散射协议：一端发射光子，与接收端的物质量子比特发生相互作用。

发射-发射协议：两端各自发射光子，在贝尔态测量装置处相遇。

散射-散射协议：两个纠缠光源通过两个测量点实现传递性纠缠。

每种协议适用于不同的硬件配置。

此外，分布式编译器也不可或缺。目前，大型量子电路无法在单个处理器上运行，思科的分布式量子编译器能够将电路拆分到多个处理器上并管理跨网络执行。它还通过综合征测量处理分布式纠错——这是一种非破坏性操作，可在不坍缩量子态的情况下检测和纠正错误量子比特，并将该能力延伸至网络层，确保互联层不会向计算过程引入新的错误。

量子网络对传统应用的现实价值

孔佩拉还探讨了一个超越量子计算本身的问题：传统网络应用能否从今天的量子网络中受益？两种特性使之成为可能：一是量子纠缠，二是不可克隆定理——该定理指出量子信息只能被移动，不能被复制。

量子同步：假设相隔数十公里的两个交易席位希望同时执行协同的买入或卖出决策。在传统网络中，一方发送消息并等待响应，而在高频交易的微秒级时间尺度上，这一传播延迟至关重要。借助两个节点之间的纠缠态，双方可以在不等待消息跨链路传输的情况下共同作出决策。孔佩拉表示，这一方案比任何传统协调方案具有10%至15%的优势。

量子告警：当前面临一种威胁被称为"先收割，后解密"——攻击者窃听光纤、收集加密数据包，等待未来具备破解能力的量子计算机出现。量子告警将纠缠光子复用到现有传统光纤上，两端节点进行联合测量，产生称为"符合计数"的关联探测结果。符合计数的下降即表明光子正被吸收，而攻击者无法注入替代的纠缠光子，因此无论何种窃听手段都会使这一模式发生变化。

"这正是它能够完全防范窃听者的原因所在。"孔佩拉说。

真实网络上的实验验证与合作伙伴

思科已走出受控实验室环境。与合作伙伴Connect合作，思科在纽约的真实运营光纤网络上进行了纠缠交换实验。

"实际获得的速率远优于实验室测试结果。"孔佩拉说。

在计算领域，思科宣布与IBM建立合作关系，近期又与中性原子量子计算厂商Atom Computing达成合作。合作范围涵盖软件栈、分布式纠错以及转导技术——即在不同物理载体类型之间转换量子信息的过程——目标是将异构量子节点整合为统一的端到端网络。

这些合作关系体现了与通用量子交换机相同的架构逻辑：思科并不押注于某一种量子计算模态的胜出，而是构建一个无论哪种模态最终胜出都能适用的互联层。

"量子网络在当今传统世界中已具有诸多实际可行的商业应用场景。"孔佩拉说。

Q&A

Q1：思科通用量子交换机与普通光学交换机有什么区别？

A：普通光学交换机无法用于量子网络，因为它会干扰量子态。思科通用量子交换机由薄膜铌酸锂制成，专为在交换操作中保护量子信息而设计，同时支持模态转换，能够在偏振、时间分区、频率分区等不同量子信息编码方式之间相互转换，从而实现超导、中性原子、离子阱、光子等异构量子处理器的统一互联，不受单一硬件供应商限制。

Q2：量子网络的纠缠光源有什么技术特点？

A：思科的纠缠光源每秒可生成2亿对纠缠光子对，工作在标准电信频段，可直接复用现有光纤基础设施，无需专建量子光纤网络。更重要的是，它在室温下即可运行，不需要任何低温制冷设备，大幅降低了部署门槛和运维成本。

Q3：量子网络现在能用在哪些传统网络场景？

A：量子网络目前可应用于两类传统场景：一是量子同步，利用纠缠态实现两个远端节点的协同决策，无需等待消息往返，在高频交易等对延迟敏感的场景中比传统方案有10%至15%的优势；二是量子告警，将纠缠光子复用到现有光纤，通过监测符合计数变化来检测光纤窃听，可有效防范"先收割，后解密"的数据安全威胁。