聚焦思科：新型量子网络芯片惊艳登场

在当今科技飞速发展的时代，量子计算领域正成为各大科技巨头竞相角逐的焦点。思科系统公司有了重大的技术突破，展示了一款用于将量子计算机联网的原型芯片。同时，该公司宣布将在加利福尼亚州圣莫尼卡开设一个新实验室，进一步深入研究量子计算领域。

该芯片采用了与现有网络芯片相同的部分技术，其重要意义在于能够帮助将小型量子计算机连接成更大规模的系统。值得一提的是，思科认为，在量子计算机成为主流之前，这款芯片就将拥有实际应用。例如，它可以帮助金融公司同步交易时间，或者协助科学家探测陨石。思科 Outshift 创新孵化器高级副总裁维乔伊・潘迪 (Vijoy Pandey) 表示：“有很多用例。你需要同步全球各地所有这些快照的时钟和时间戳。”

事实上，思科并非唯一一家进军量子计算领域的主流科技公司。近几个月来，Alphabet 旗下的谷歌、微软和亚马逊都宣布推出了量子计算芯片，英伟达也计划开设自己的量子计算实验室。同时，像 PsiQuantum 等初创公司也在筹集数亿美元用于构建系统。在众多公司竞相创造更多 “量子比特”（量子计算机的基本单位）的同时，思科另辟蹊径，致力于将它们连接起来。

据了解，思科与加州大学圣巴巴拉分校研究人员共同开发的这款芯片，其工作原理是使光子对发生量子纠缠，然后将其中一个光子对发送到两台独立的量子计算机。思科表示，在短时间内，量子计算机可以利用这些纠缠光子进行即时通信，无论它们相距多远，这正是阿尔伯特・爱因斯坦所说的 “幽灵般的远距离作用” 的量子物理现象。不过，潘迪强调，思科目前还没有该芯片何时产生收入的时间表，并且该芯片只是一个原型。他指出：“要构建量子网络，你需要的第一个基石就是纠缠芯片，这就是它的第一个基石。”

几十年来，量子计算一直备受关注，但实用且容错的量子系统却迟迟未能到来。然而，如今围绕这项技术的氛围似乎有了明显变化。今年冬天，谷歌、亚马逊网络服务 (AWS) 和微软都推出了量子芯片，在解决关键的纠错难题方面取得了进展。微软宣称，其马约拉纳处理器意味着可靠的量子计算只需数年，而不是数十年。Nvidia 也在量子领域展示其人工智能实力，称自己是该技术的推动者。D-Wave 已开始销售其退火量子系统，不再仅仅通过其云服务上的 Advantage 系统提供该技术。

麻省理工学院工程量子系统小组的研究人员本月宣布了一种名为 “量子耦合器” 的新型超导电路，它将使量子处理器能够以足够快的速度运行，以便在脆弱的量子比特开始退相干之前进行纠错。与此同时，谷歌的量子研究人员呼吁业界与学术机构合作，以解决硬件和集成方面的障碍。

在此背景下，思科系统公司本周推出的量子网络纠缠芯片显得尤为引人注目。这是一款与加州大学圣巴巴拉分校共同开发的原型，该供应商的研发部门和孵化器 Outshift 高级副总裁 Vijoy Pandey 表示，这将加速 “有影响力的” 量子计算应用的到来。与此同时，这家网络巨头正在加利福尼亚州圣莫尼卡开设思科量子实验室。

目前，围绕量子计算最终全面到来时的样子仍在持续讨论。照片中枝形吊灯般的量子系统看起来令人印象深刻，但量子计算很可能以分布式和云的方式进行，小型系统通过量子网络连接起来，从而更容易扩展，就像今天的传统计算机一样。

思科的 Pandey 在一篇博客文章中指出，业界面临的挑战是，虽然量子应用需要数百万个量子比特，但当今的量子系统仅包含数十或数百个量子比特，而许多路线图显示，到本世纪末，这一数字将增长到数千个。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更小的节点连接在一起，从而在数据中心和云计算中创建强大的分布式系统。正如大型经典单片计算机系统的使用逐渐被淘汰一样，量子计算的未来也不取决于单一的单片量子计算机。横向扩展的量子数据中心，即处理器通过专用网络协同工作，将是切实可行的发展方向。”

思科科学家在一份研究论文中写道，需要量子网络基础设施来创建分布式量子计算环境，并使其能够更快地扩展到当前和不久的将来系统中相对较少的量子比特数量。他们写道，这样的量子数据中心涉及 “多个量子处理单元（QPU）…… 联网，从而实现可扩展的分布式架构，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，促进全球范围内的无缝互联。”

量子网络纠缠芯片是构建该数据中心的基础。纠缠对量子计算至关重要，因为它使量子比特对（在思科的案例中是光子）即使相距甚远也能保持连接，这是传统比特无法做到的，也使得量子系统比传统机器强大得多。

据思科研究部负责人兼杰出工程师 Ramana Kompella 和量子研究部及量子实验室负责人 Reza Nejabati 介绍，该芯片原型在硅片平台上采用 III - V 半导体波导中的自发四波混频（一种纠缠光子对的过程），每通道每秒可产生超过一百万个可用的纠缠光子对，或在整个芯片中每秒最多产生两亿个可用的纠缠光子对。该芯片的保真度高达 99%，效率极高，功耗不到 1 毫瓦 (mW)，并且可在室温下运行，无需专门的冷却技术，这使得该芯片非常适合现代数据中心。Kompella 和 Nejabati 写道，研究人员还能够 “在同一芯片上创建纠缠源阵列，用于大规模复用，实现高速率端到端和多用户量子网络，使其成为当今最明亮的芯片级光源”。它还可以与现有的光纤基础设施集成，使其可在当前环境中使用。

纠缠芯片将成为供应商正在努力打造的整个量子数据中心的核心，其中包含当前经典网络中发现的新版本，包括交换机和 NIC。他们写道：“量子网络需要从根本上在量子力学层面工作的全新组件。构建量子网络时，我们无法像传统网络那样将信息数字化 —— 我们必须在整个传输路径中保留量子特性。这需要专门的硬件、软件和协议，这与传统网络中的任何技术都不同。”

量子开关的设计包括波导，用于在无需测量或观察的情况下路由量子，这可能会引入噪声、光、振动或其他环境因素，从而可能瓦解脆弱的量子态。量子网卡（NIC）将与供应商无关，将量子芯片连接到网络；而分布式编译器则负责跨进程划分量子算法，并调度纠缠的分布。Pandey 表示，思科正在开发量子网络堆栈的其他组件，从纠缠分发协议到量子网络开发套件 (QNDK)。他写道，硬件和软件的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。Pandey 还写道：“虽然有些公司只专注于一种量子计算技术（超导、离子阱或基于中性原子的系统），但思科正在构建一个与任何量子计算技术兼容的与供应商无关的框架。” 他补充说，这让供应商能够了解 Nvidia 如何看待自己 —— 作为各种量子技术的推动者和推动者，而不是对新兴行业有狭隘看法的供应商。

思科此次展示量子网络芯片以及相关的研究计划，无疑为量子计算领域的发展带来了新的希望和方向。未来，我们有理由期待思科在量子计算领域取得更多的突破和成果。