Universele kwantumswitch verbindt kwantumsystemen van verschillende leveranciers

De Cisco Universal Quantum Switch kan volgens de fabrikant alle gangbare coderingsmodaliteiten verwerken en omzetten zonder dat daarbij kwantuminformatie verloren gaat. Dit gebeurt bij kamertemperatuur en via standaard glasvezel. Met een prototype van de switch is het bedrijf al een eind op weg.

Met de Universal Quantum Switch wordt een stap gezet naar het bereiken van relevante schaalbaarheid voor praktische toepassingen in bijvoorbeeld de gezondheidszorg, financiële dienstverlening en licht- en ruimtevaart. De huidige generatie kwantumcomputers werkt met honderden tot enkele duizenden qubits, waarvan een best wel aanzienlijk deel ook nog eens wordt gebruikt voor foutcorrectie. Voor een grootschalige toepassing heb je miljoenen qubits nodig. Iets wat kan worden bereikt door het koppelen van kwantumsystemen tot een kwuantumnetwerk.

Dat koppelen is nog niet zo eenvoudig, omdat fabrikanten van kwantumcomputers verschillende coderingsmethodes hanteren. Tot nu toe was er nog geen switch ontwikkeld, die alle belangrijke coderingsmethodes accepteert en vertaalt zonder dat daarbij kwantuminformatie verloren gaat. Met het prototype van de switch van Cisco stelt het bedrijf op de goede weg te zitten naar ‘full-stack quantum networking’.

Conversie-engine

Dit wordt mogelijk gemaakt door een gepatenteerde conversie-engine in de kwantumswitch. De uitgangsmodaliteit kan overeenkomen met de ingang, maar kan ook geheel anders zijn. Dit maakt dat de switch verbinding kan maken over verschillende leveranciers en technologieën heen tussen kwantumsystemen die nooit zijn ontworpen om met elkaar te communiceren.

De kwantumswitch is ontworpen om alle belangrijke kwantumcoderingsmodaliteiten te ondersteunen die worden gebruikt om informatie over te dragen. Dat zijn met name polarisatie (de oriëntatie van lichtgolven), time-bin (de timing van lichtpulsen), frequency-bin (de kleur of frequentie van het licht) en path (de route die een foto neemt). Simpel uitgelegd: door deze switch kan een apparaat dat met frequentie als kwantumcoderingsmodaliteit werkt communiceren met een aparaat dat dit doet op basis van timing; dit zonder de kwamtumtoestand aan te tasten.

Op dit ogenblik is de kwantumswitch experimenteel gevalideerd met polarisatiecodering. Ondersteuning voor time-bin en frequency-bin is ingebouwd in het ontwerp en zal in in een later stadium worden gevalideerd.

Snel en zuinig

De Universal Quantum Switch is getest met behulp van Cisco’s eigen verstrengelingbron (de vorig jaar aangekondigde Quantum Network Entanglement Chip), die verstrengelde fotonenparen genereert, en single-photon detectoren. Uit deze experimenten bleek dat er minder dan 4 procent afbreuk aan de quantum-state en de vervlechting van de fotonenparen optrad, waardoor de coherentie behouden blijft die kwantumnetwerken nodig hebben om te functioneren. Ook het schakelen gebeurt met een snelheid die past bij kwantumnetwerken: elektro-optische switching gebeurt in minder dan een nanoseconde, waarbij verbindingen in 1 nanoseconde worden geherconfigureerd. Daarbij werd gerept over een enrgieverbruik van minder dan 1 mW.

Tenslotte nog twee zaken, die drempelverlagend werken voor toekomstige implementatie. De switch werkt bij kamertemperatuur, en hoeft dus niet zoals veel kwantumhardwarecomponenten cryogeen gekoeld te worden. En hij werkt met bestaande infrastructuur, op standaard telecomfrequenties via dezelfde glasvezel voor klassiek internetverkeer, zonder dat daar extra gespecialiseerde apparatuur voor nodig is.