Cisco testet „Universal Quantum Switch“

Netzwerktechnik als möglicher Schlüssel für skalierbare Quantensysteme

Cisco stellt einen Forschungsprototyp für Quanten­netzwerke vor. Der sogenannte Universal Quantum Switch (UQS) soll Quanteninformationen über bestehende Glasfasernetze bei Raumtemperatur routen und zwischen unterschiedlichen Kodierungsverfahren vermitteln. Noch ist die Technologie im Prototypenstadium – für IT‑Verantwortliche liefert sie jedoch Hinweise darauf, wie sich zukünftige Quanten­infrastrukturen entwickeln könnten.

Ziel ist es, ein zentrales Problem der Quanteninformatik zu adressieren: die Vernetzung heterogener Quantensysteme Der Switch soll es ermöglichen, Quanteninformationen zwischen Systemen verschiedener Anbieter zu vermitteln – über Standard‑Telekommunikations­infrastruktur, bei Raumtemperatur und ohne den fragilen Quantenzustand zu zerstören.

Cisco positioniert den Switch als Baustein für eine zukünftige Quantennetzwerk-Infrastruktur und betont ausdrücklich, dass es sich nicht um ein marktreifes Produkt, sondern um einen Proof‑of‑Concept aus dem eigenen Forschungsprogramm für Quantum Networking handelt.

Wie der Universal Quantum Switch funktioniert

Ein grundlegendes Problem heutiger Quantentechnologien ist ihre fehlende Interoperabilität. Quantencomputer und ‑sensoren kodieren Informationen je nach Hardware auf unterschiedliche Weise – etwa über Polarisation, Time‑Bins, Frequency‑Bins oder Pfad‑Kodierung (Path Encoding). Systeme mit unterschiedlichen Kodierungen lassen sich bislang kaum direkt koppeln, ohne den fragilen Quantenzustand durch eine Messung zu zerstören.

Der Universal Quantum Switch soll dieses Hindernis durch eine von Cisco beschriebene Conversion‑Architektur überwinden. Quanteninformationen werden am Ein‑ und Ausgang des Switches zwischen unterschiedlichen Kodierungsarten abgebildet, während intern mit einer gemeinsamen Repräsentation gearbeitet wird. Entscheidend ist dabei, dass der Quantenzustand nicht gemessen wird – Kohärenz und Verschränkung sollen erhalten bleiben.

Architektur und experimentelle Validierung

Der Prototyp besteht aus einem Photonik‑Chip auf Basis von Thin‑Film Lithium Niobate (TFLN) mit drei zentralen Komponenten:

• Input‑Quantum‑State‑Converter, die unterschiedliche Kodierungen auf Path‑Encoding abbilden,
• eine integrierte, nicht‑blockierende Switch‑Fabric, die das Routing übernimmt,
• sowie Output‑Converter, die die Signale wieder in die gewünschte Zielkodierung übersetzen.

In Proof‑of‑Concept‑Experimenten will Cisco eine durchschnittliche Degradation der Zustands‑ und Verschränkungs‑Fidelity von ≤ 4 Prozent erreicht haben sowie Schaltzeiten im Sub‑Nanosekundenbereich bei einem Energieverbrauch von unter einem Milliwatt.

Wichtig für die Einordnung: Experimentell validiert wurde bislang vor allem Polarisation‑Encoding. Unterstützung für Time‑ und Frequency‑Bins ist Teil des Designs, befindet sich jedoch noch in der Validierung.

Der Betrieb erfolgt im Labor bei Raumtemperatur. Diese Aussage bezieht sich jedoch ausschließlich auf den Switch‑Baustein selbst – angeschlossene Quantenprozessoren benötigen in der Regel weiterhin kryogene Kühlung.

Quantum Networking in der Praxis

Cisco adressiert mit dem Universal Quantum Switch gezielt die Kombination aus Routing und Kodierungs‑Interoperabilität. Der Netzwerausrüster ist jedoch nicht der einzige Akteur, der an Quanten­netzwerken arbeitet:

• IonQ demonstriert Quantum Frequency Conversion, um Photonen aus qubitspezifischen Wellenlängen in Telekom‑Wellenlängen zu überführen – ein Schnittstellen‑, nicht primär ein Routing‑Problem.
• IBM Research arbeitet an sogenannter Quantum Transduction, um Mikrowellen‑Photonen aus supraleitenden Qubits in optische Photonen zu überführen.
• Nu Quantum entwickelt photonikbasierte Interconnect‑ und Switching‑Technologien als Teil einer umfassenderen System‑ und Plattformstrategie.
• Photonic Inc. verfolgt ein modulares Quantencomputer‑Design, bei dem Qubits bereits nativ über optische Interconnects bei Telekom­wellenlängen gekoppelt werden. Ziel ist Any‑to‑Any-Konnektivität innerhalb und zwischen Modulen, ebenfalls unter Nutzung von Glasfaser und bei Raumtemperatur. Photonic versteht mit ihrem Ansatz Netzwerke als integralen Bestandteil des Rechners selbst.
• Die Deutsche Telekom (T‑Labs) und Forschungspartner arbeiten an hybriden Netzen, in denen Quanten­signale parallel zu klassischem Datenverkehr über dieselbe Glasfaser laufen.
• Qunnect konzentriert sich auf entanglement‑basierte Quantennetze und feldtaugliche Netzwerk­komponenten bei Raumtemperatur, ohne universelle Kodierungs­konversion in den Mittelpunkt zu stellen.

Ein Team der New York University hat in Zusammenarbeit mit dem in Brooklyn ansässigen Quanten-Startup Qunnect und Cisco gezeigt, dass verschränkte Quantensignale über bereits installierte Telekommunikationsglasfasern zwischen mehreren Punkten übertragen werden können.

Die Ergebnisse wurden auf der Jahrestagung der American Physical Society im März präsentiert.

Primär geht es bei allen Initiativen um Netzstabilität, Langzeit­betrieb und Integration in bestehende Carrier-Infrastrukturen.

Fazit

Der Universal Quantum Switch ist kein Produkt für kurzfristige Investitions­entscheidungen. Er ist jedoch ein Indikator dafür, dass sich – analog zur klassischen IT – eine eigenständige Netzwerk- und Orchestrierungsschicht für Quantensysteme herausbilden könnte. Sollte sich ein solcher Netzwerk‑Layer etablieren, gewinnen Fragen nach Interoperabilität, Standardisierung, Vendor‑Lock‑in und Governance früh an Bedeutung.

Auch wenn praktische Anwendungen noch Jahre entfernt sind, werden die grundlegenden Design­entscheidungen für diese Infrastrukturen bereits jetzt getroffen.

Für IT‑Verantwortliche lohnt es sich daher, Quantum Networking aufmerksam zu verfolgen.