Naast het ontwikkelen van quantum computers moet er nog meer gebeuren om van quantum computing als geheel een succes te maken. Dat is althans het standpunt van Cisco. Vandaar dat het werk maakt van een volledige quantum stack. Het onderling aan elkaar verbinden van quantum computers hoort daar ook bij. Dat brengt echter behoorlijk wat uitdagingen met zich mee. Om die op te lossen, kondigt Cisco vandaag aan dat het een werkend prototype heeft van de Universal Quantum Switch.
Quantum computing richt zich tot nu toe vooral op het aantal qubits dat beschikbaar is om berekeningen uit te voeren. Er zijn inmiddels systemen met meer dan 5000 qubits en dat aantal zal gestaag blijven toenemen, is de verwachting. Voor het oplossen van de vraagstukken waarvoor quantum computing ontwikkeld wordt, zijn er echter vele honderdduizenden en zelfs miljoenen qubits nodig. Daar zijn we nog lang niet.
Als het echter mogelijk is om meerdere quantumcomputers met elkaar te verbinden, dan kunnen meerdere kleinere computers een grote vormen. Om dit mogelijk te kunnen maken, moet er dus een netwerkverbinding zijn. En dat is waar Cisco’s Universal Quantum Switch om de hoek komt kijken.
De aankondiging van vandaag kun je zien als de volgende stap in de ontwikkeling van het quantumnetwerk vanuit Cisco. Vorig jaar kondigde het de Quantum Network Entanglement Chip aan, waarmee het mogelijk is om fotonenparen te maken. Met de Universal Quantum Switch moet het mogelijk worden om deze ook daadwerkelijk daar te krijgen waar ze naartoe moeten.
Meerdere technologieën, modaliteiten en encoding
Het aan elkaar koppelen van quantumcomputers via een netwerk klinkt wellicht eenvoudig, maar is dat helemaal niet. Fotonen kunnen gewoon over een standaard glasvezelkabel van de ene naar de andere locatie gestuurd worden, maar zodra een foton (die de qubit bij zich heeft) aankomt bij een switch, kan deze niet hetzelfde behandeld worden als we tot nu toe gewend waren.
Quantum computing is verre van een gestandaardiseerd veld. Verschillende partijen gebruiken verschillende technologieën. De bekendste zijn Neutral-Atom, Trapped Ion, Photonic en Superconducting. Deze technologieën en daarbij behorende materialen brengen ook bepaalde voorkeuren voor zogeheten modaliteiten en encoderingen van de qubits met zich mee: polarization, time-bin, frequency-bin en path encoding. De eerste maakt gebruik van de oriëntatie van de lichtgolf, de tweede van de timing van de pulsen van licht, de derde van de kleur oftewel de frequentie van het licht en de vierde van de fysieke route ervan.
De verwachting is dat bovenstaande situatie niet snel zal veranderen. Dat betekent dat quantum computing en quantumnetwerken een heterogene omgeving zullen blijven. Daar moet de infrastructuur mee om kunnen gaan.
Routeren zonder vernietigen
Allereerst is het zaak om de verschillende modaliteiten compatibel te maken met elkaar. Dat is waar de zogeheten Quantum State Converter (QSC) voor moet zorgen. Deze zet fotonen met qubits om van de encodering waarmee het arriveert naar een formaat dat geschikt is voor routing. Vervolgens komt de informatie bij de het daadwerkelijke switch-gedeelte. Daar vindt de routering plaats, waarna de omgezette qubit richting de juiste output gestuurd wordt. Deze output is dan weer een QSC die het om moet zetten in de gewenste modaliteit.
Het omzetten van om het even welke modaliteit naar een formaat dat geschikt is voor routering is op zich al best een klus. Het daadwerkelijke switchen van het verkeer is echter ook geen sinecure. Het verkeer mag namelijk niet uitgelezen worden. Dat betekent in de wereld van quantum namelijk dat de zogeheten quantum state aangetast kan worden en de informatie die de qubits bij zich dragen verloren gaat. De Universal Quantum Switch heeft hier vrijwel geen last van, horen we van Cisco. Het is verder ook een non-blocking switch. Dit houdt in dat meerdere fotonen tegelijk door de chip kunnen worden verwerkt.
Werkend prototype, op kamertemperatuur
Volgens Cisco is het Cisco Quantum Labs gelukt om een werkend prototype van de Universal Quantum Switch te maken. Initiële resultaten zijn hoopgevend. Het rapporteert minder dan 4 procent afbreuk aan de quantum state en de entanglement (vervlechting) van de fotonenparen. Qua snelheid van switching lijkt het met minder dan een nanoseconde ook goed te zitten. Daarnaast rapporteert Cisco ook een hoge efficiëntie op het gebied van energieverbruik. Het heeft het over een verbruik van minder dan 1 milliwatt. We hebben nog een vraag uitstaan om verduidelijking van dit verbruik, aangezien het ons op dit moment niet duidelijk is waar de switch nu precies 1 milliwatt voor verbruikt.
Het is verder ook niet onbelangrijk om te vermelden dat Cisco de Universal Quantum Switch heeft ontwikkeld om te functioneren op kamertemperatuur. Veel quantumhardware moet op extreem lagen temperaturen gehouden worden om te kunnen functioneren. Dat is hier dus niet het geval.
Universeel en full-stack
Dat de Cisco Universal Quantum Switch op kamertemperatuur werkt en met alle modaliteiten werkt via de QSC’s in de switch, betekent dat Cisco daadwerkelijk kan claimen dat dit een universele switch is. Het moet het in principe mogelijk maken om alle verschillende quantumcomputers via het netwerk met elkaar te kunnen koppelen. Het werkt verder ook met bestaande infrastructuur. De verbindingen kunnen gewoon over bestaande glasvezelkabels gelegd worden.
Wel is het zo dat de Universal Quantum Switch op dit moment alleen nog maar is gevalideerd door Cisco voor polarization encoding. Het bedrijf geeft aan dat ondersteuning voor time-bin en frequency-bin is ingebouwd in het ontwerp. De volgende stap is om ondersteuning hiervoor ook te valideren. Over de ondersteuning voor path encoding hebben we op dit moment nog geen informatie.
Kijken we naar hoe Cisco het quantumvraagstuk aanvliegt, dan past de Universal Quantum Switch in de full-stack benadering die het bedrijf naastreeft. Na de Quantum Network Entanglement Chip, waarmee het fotonenparen kan genereren, is er nu ook een manier om ze te transporteren over een netwerk. Cisco werkt tot slot ook aan zogeheten quantum-aware applicaties. Denk aan Quantum Alert, dat in elkaar vervlochten fotonen gebruikt om het afluisteren op glasvezel te detecteren, maar er zullen er meer volgen.
In een wereld waarin iedereen het op zijn eigen manier aanvliegt, is de standaardisatie die Cisco probeert te brengen niet alleen goed voor Cisco, maar ook voor de uiteindelijke afnemers van de technologie.