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Cisco stellt Universal Quantum Switch vor
Ciscos neuer Universal Quantum Switch soll heterogene Quanten-Rechenknoten vernetzen und damit die Grundlage für ein Quanten-Internet außerhalb von Laborumgebungen schaffen.
Mit dem Universal Quantum Switch hat Cisco einen Forschungsprototypen vorgestellt, der laut Herstellerangaben als Bindeglied für die Skalierung von Quantennetzwerken fungieren soll. Die Hardware zielt darauf ab, Quanten-Rechenknoten unterschiedlicher Hersteller flexibel miteinander zu verbinden.
Dies wird als notwendiger Schritt angesehen, um die derzeitigen Kapazitäten von etwa 1.000 Qubits auf die für praxisrelevante Anwendungen erforderlichen Millionen physikalischer Qubits zu steigern.
Horizontale Skalierung durch Quantenvernetzung
Um komplexe Berechnungen in Bereichen wie der Medikamentenentwicklung oder Finanzmodellierung durchzuführen, reicht die vertikale Vergrößerung einzelner Chips nach Einschätzung von Cisco nicht aus. Die horizontale Skalierung (Scale-out) sieht vor, mehrere kleinere Rechenknoten zu einem Verbund zu verknüpfen.
In diesem Szenario ist der Cisco Universal Quantum Switch als zentrale Schaltstelle konzipiert. Durch die Vernetzung sollen die einzelnen Einheiten einen gemeinsamen Zustand teilen und wie ein einziger Computer agieren. So sollen die physikalischen Grenzen einzelner Quantenchips umgangen und die Rechenleistung modular erweitert werden können.
Warum spezielle Quanten-Switches benötigt werden
In der klassischen Computertechnik empfangen Switches Datenpakete, lesen sie, speichern sie kurzzeitig und leiten sie dann an das richtige Ziel weiter. Bei Quanteninformationen ist dieser Prozess aufgrund der Gesetze der Quantenphysik jedoch unmöglich.
Die Hauptgründe, warum herkömmliche Technik hier nicht tauglich ist und ein spezieller Quanten-Switch notwendig ist, sind:
- Das Problem der Quantenphysik (Kollaps der Wellenfunktion): Ein klassischer Switch muss die Zieladresse kennen. In der Quantenwelt führt das Messen eines Zustands jedoch zum sofortigen Kollaps. Der Cisco-Switch routet daher, ohne die Information zu beobachten.
- Das No-Cloning-Theorem: Das Kopieren eines unbekannten Zustands wird durch die Quantenmechanik verboten. Der Switch muss die Verschränkung über den gesamten Pfad aufrechterhalten, ohne Pufferung.
- Die Sprachbarriere der Modalitäten: Quantencomputer nutzen unterschiedliche physikalische Kodierungen wie Polarisation, Frequenz (Time-bin) oder den Pfad des Photons. Der Switch dient hier als universeller Konverter.
- Extreme Empfindlichkeit (Fidelity): Um Fehler (Dekohärenz) zu vermeiden, arbeitet der Switch laut Cisco mit einer extrem niedrigen Fehlerrate (Penalty).
Technische Merkmale des Cisco Universal Quantum Switches
Die Entwicklung stützt sich auf drei technologische Merkmale, die die Integration in bestehende IT-Umgebungen vereinfachen sollen. Cisco nennt folgende technische Eigenschaften für den Aufbau heterogener Quanten-Rechenzentren:
- Hardware-Kompatibilität: Das System soll zwischen unterschiedlichen Modalitäten wie Ionenfallen, Photonen oder supraleitenden Qubits und ermöglicht so die Zusammenarbeit mit Systemen von Partnern wie IBM und Atom Computing.
- Performance & Fidelity: Der Switch erreicht laut Cisco eine Schaltzeit von nur einer Nanosekunde und kann 200 Millionen Photonenpaare pro Sekunde (in-chip) verarbeiten. Die Degradation der Quanteninformation soll bei weniger als 4 Prozent (Fidelity von über 96 Prozent) liegen.
- Betriebsbedingungen: Die Hardware arbeitet bei Raumtemperatur, nutzt bestehende Glasfaserinfrastrukturen bei Telekom-Frequenzen und benötigt dabei laut Cisco weniger als 1 mW Energie (Low Power/Tiny Footprint). Für den Datentransport lassen sich bestehende Glasfaserinfrastrukturen nutzen. Das ermöglicht die Integration in bestehende Rechenzentren, da keine aufwendige Kühlung auf den absoluten Nullpunkt nötig ist.
Praxistest unter Realbedingungen in New York
Ein von Cisco durchgeführter Feldversuch über eine 17,6 Kilometer lange Glasfaserstrecke in New York sollte die Zuverlässigkeit der Technologie außerhalb kontrollierter Laborumgebungen demonstrieren. Trotz externer Einflüsse am Netzknoten 60 Hudson wurde laut Firmenbericht ein Verschränkungsaustausch durchgeführt.
Der Test sollte belegen, dass Faktoren wie Erschütterungen durch den städtischen Nahverkehr oder Temperaturschwankungen die Quantenkommunikation nicht unterbrechen. Damit wurde die Übertragung von Quanteninformationen über reale Distanzen innerhalb einer bestehenden städtischen Infrastruktur erprobt.
Der Cisco Quantum Network Stack
Cisco betrachtet die Vernetzung als Schichtenmodell (Stack), um Quantenressourcen für Software zugänglich zu machen.
- Quantum Hardware: Der physische Switch als Basis.
- Network Protocols: Protokolle für Verschränkungsverteilung, Teleportation und Fehlerkorrektur.
- Network-Aware Apps: Anwendungen wie Quantum Sync (für ultrapräzise Zeitsynchronisation), Quantum Alert (Abhörschutz) und spezielle Quanten-Compiler.
Integration in SDN-Frameworks
IT-Administratoren sollen Quantenressourcen über die gleichen Dashboards verwalten können, die sie bereits für klassische Server-Cluster nutzen. Cisco unterstützt dabei die Bestrebungen des IETF zur Standardisierung. Ein Schwerpunkt liegt auf Transduktions-Technologien, um unterschiedliche Compute-Hersteller interoperabel zu machen. Integrierte Quanten-Relais kompensieren zudem Photonenverluste auf Langstrecken.
Fazit
Mit dem Universal Quantum Switch adressiert Cisco die Problematik der Netzwerkskalierung. Die Kombination aus Hardwarekompatibilität, der Nutzung vorhandener Glasfaserstrecken und der Integration in SDN-Frameworks stellt einen wichtigen Entwicklungsschritt dar. In den kommenden zwei Jahren will Cisco die Technologie gemeinsam mit Partnern weiter validieren, um den Übergang von der Forschung in den industriellen Einsatz vorzubereiten.
