摘要：本周，思科系统公司（Cisco Systems）推出了一款量子网络纠缠芯片，这是与加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）合作开发的原型产品。思科研发部门及孵化器Outshift的高级副总裁维乔伊·潘迪（Vijoy Pandey）表示，该芯片将加速“有影响力的”量子

本周，思科系统公司（Cisco Systems）推出了一款量子网络纠缠芯片，这是与加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）合作开发的原型产品。思科研发部门及孵化器Outshift的高级副总裁维乔伊·潘迪（Vijoy Pandey）表示，该芯片将加速“有影响力的”量子计算应用的到来。

与此同时，这家网络巨头还在加州圣莫尼卡开设了思科量子实验室（Cisco Quantum Labs）。

纠缠芯片的推出，进一步引发了人们对量子计算最终全面实现时将呈现何种面貌的讨论。照片中那些吊灯般的量子系统看起来令人印象深刻，但量子计算很可能将以分布式和类似云的方式运行，即通过量子网络连接较小的系统，以实现更便捷的可扩展性，就像如今的经典计算机一样。

潘迪在一篇博客文章中指出，该行业面临的挑战在于，虽然量子应用将需要数百万个量子比特，但目前的量子系统仅包含数十个或数百个量子比特，许多路线图预计到本世纪末这一数字将增长至数千个。

他写道：“几十年前，经典计算也面临着类似的挑战，直到我们开始通过网络基础设施将较小的节点连接起来，在数据中心和云计算中构建强大的分布式系统。正如大型经典单体计算机系统逐渐被淘汰一样，量子计算的未来并不在于单一的巨型量子计算机。通过专用网络实现处理器协同工作的扩展型量子数据中心，才是切实可行且可实现的前进道路。”

量子网络不可或缺

思科科学家在一份研究论文中写道，要构建一个分布式量子计算环境，并使其能够超越当前和近期系统中相对较少的量子比特数量，实现更快速的扩展，就需要量子网络基础设施。

这样的量子数据中心涉及“多个量子处理单元（QPU）……通过网络连接在一起，形成分布式架构，从而能够扩展以满足大规模量子计算的需求”。“最终，这些量子数据中心将构成全球量子网络或量子互联网的骨干，实现全球范围内的无缝互联。”

量子网络纠缠芯片是构建这一数据中心的基础。纠缠对于量子计算至关重要，因为它能让成对的量子比特——在思科的案例中是光子——即使相隔甚远也能保持连接，这是经典比特无法做到的，也正是这一点让量子系统比传统计算机强大得多。

成对光子

据思科研究主管兼杰出工程师拉马纳·孔佩拉（Ramana Kompella）以及量子研究和量子实验室负责人雷扎·内贾巴蒂（Reza Nejabati）介绍，该芯片原型在硅晶圆平台上采用了III-V族半导体波导中的自发四波混频技术——这是一种用于纠缠光子对的过程，每秒每通道可产生超过一百万对可用的纠缠光子对，整块芯片每秒则可产生高达2亿对。

它的保真度也达到了99%，且效率极高，功耗低于1毫瓦（mW），并可在室温下运行，无需专门的冷却技术，这使得该芯片在现代数据中心中非常实用。研究人员还表示，他们“能够在同一块芯片上创建纠缠源阵列，实现大规模复用，以满足高速端到端和多用户量子网络的需求，使其成为当今最亮的芯片级光源”，孔佩拉和内贾巴蒂写道。

它还可以与现有的光纤基础设施集成，从而在现有环境中使用。

交换机与网卡

这款纠缠芯片将是思科正在构建的整个量子数据中心的核心，其中将包含当前经典网络中的新版本组件，包括交换机和网卡。

“量子网络需要全新的组件，这些组件需在量子力学层面发挥作用，”他们写道。“在构建量子网络时，我们无法像经典网络那样对信息进行数字化处理——我们必须在整个传输过程中保持量子特性。这需要专门的硬件、软件和协议，与经典网络中的任何技术都截然不同。”

量子交换机的设计包括波导，用于在不测量或观察量子比特的情况下对其进行路由，因为测量或观察可能会引入噪声、光、振动或其他环境因素，从而破坏脆弱的量子态。量子网卡将与供应商无关，负责将量子芯片连接到网络，而分布式编译器则负责将量子算法分配到各个进程中，并安排纠缠的分布。

据潘迪介绍，思科正在为量子网络堆栈开发其他组件，从纠缠分发协议到量子网络开发工具包（QNDK）。

他写道，这种硬件和软件的双重开发是思科战略的关键部分，使公司能够了解各个组件如何协同工作以创建网络环境。

“虽然一些公司只专注于一种类型的量子计算技术（超导、离子阱或中性原子系统），但思科正在构建一个与供应商无关的框架，该框架可与任何量子计算技术配合使用，”潘迪写道，并补充说，这让思科能够像英伟达看待自己一样——成为各种量子技术的推动者和助力者，而非对这一新兴行业持狭隘观点的供应商。

来源：EETOP半导体社区一点号