← Quantum Technology AtlasТехнологии · Машины · Архитектуры · ОрганизацииEnglishעברית

Фотонная коммутация / маршрутизация (электрооптика, прямая связь) cx_switch

Электрооптические и МЭМС-переключатели маршрутизируют фотоны между волноводами по решению, принимаемому в реальном времени по оповещающему (heralding) отсчёту, — транспортный слой с доминирующими потерями, общий для всех фотонных архитектур.

Фотонная коммутация / маршрутизация (электрооптика, прямая связь)

cx_switch · слой 4 Связность / транспорт · продемонстрировано · с 2015
Открыть на карте

Каждый переключатель стоит потерь: 0.19 dB/MZI в масштабе системы (Aurora), 100 mdB у лучшего элемента в линии (BTO у PsiQuantum); для отказоустойчивости нужно ~7 mdB.

Обзор →

Ключевые источники

[455] J. Carolan et al., “Universal Linear Optics,” arXiv:1505.01182, May 2015. · 2015
[173] H. A. Rad et al., “Scaling and networking a modular photonic quantum computer,” Nature, vo… · 2025
[169] K. Alexander et al., “A manufacturable platform for photonic quantum computing,” Nature, v… · 2025
[516] C. Català-Lahoz et al., “High-speed non-volatile barium titanate field-programmable photon… · 2026
[517] A. Roy et al., “Zero-change foundry compatible silicon photonics MEMS optical switch,” arX… · 2026

Пространство проектирования — атрибуты

(a) сродство носителя
фотон (естественная частица, искусственно сформированные моды)
(b) время · запутывание
1.0 µs
(c) считывание
—
(d) подвижность
летающие кубиты (фотоны)
(e) управление
электрооптическое @ комнатная
(f) структура ошибки
потеря (стирание)
(g) производство
фабрика ФИС

Пространство оценки — датированные атрибуты

best in-line switch (PsiQuantum BTO) → 100 mdB insertion; 52(12) mdB fibre-to-chip
определяет: канал ошибок · 2025-02 · источник
system-scale switch loss (Aurora) → 0.19 dB/MZI; requirement ≈ 7 mdB
определяет: канал ошибок · 2025-01 · источник
BTO phase shifter → 0.33 dB·V
определяет: канал ошибок · 2025-02 · источник

Иногда цитируемые «30 mdB» для переключателя не прослеживаются ни к одному источнику. Потери одномодового SiN в Omega — 1.8(2) дБ/м против многомодовых 0.5 dB/m; расхождение не устранено.

Стандартные рекорды

степень связности → не опубликовано · типичное
Undefined for a switch fabric: connectivity is reprogrammed each clock cycle, and no mean degree is published for Omega or Aurora · 2025-02 · источник [D] ⓘ
транспорт на раунд → не опубликовано · типичное
No transport and no syndrome round: photons propagate at c through the switch network and are consumed by fusion, not idled between rounds · 2025-02 · источник [D] ⓘ

Участники и цели — аннотации

Фотоника на основе слияний (FBQC) — PsiQuantum (Omega), Quandela, QuiX · G4 G6
Фотоника на непрерывных переменных — GKP — Xanadu (Aurora) · G4 G6
Бозонный сэмплер — USTC (Jiuzhang), Xanadu (Borealis), ORCA · G1

Рёбра

нужно: Фабрика ФИС (SiN, BTO, TFLN, SNSPD на 300 mm)
нужен для: Линейно-оптическое слияние (с оповещением), Нелокальные qLDPC-коды (bivariate bicycle, «gross»)°
конфликтует с:
Сжатая мода света (непрерывные переменные) открыт — смягчение в масштабе не показано
потери добавляют вакуумный шум: после доли потерь 1−η выживает не больше −10·log₁₀(1−η) дБ сжатия, поэтому ~10 dB, нужные GKP, ограничивают потери переключателя 10 %
цена порог отказоустойчивости архитектуры на GKP задан как ~10 dB эффективного сжатия; суммарные потери 1 dB на маршруте (η = 0,79) ограничивают достижимое сжатие 6,9 dB, а 0,46 dB (η = 0,9) — 10 dB, поэтому бюджет переключателя — самое жёсткое число архитектуры
смягчение бюджет потерь на моду и переключатель, переключатели с наименьшими потерями (BTO, МЭМС) или кодирование на дискретных переменных, где потеря — стирание с оповещением · 2021-02
° одно из нескольких, что подошли бы · обычный маршрут, не строгая необходимость

Используют 11 машин (11 основная · 0 альтернатива)

↗ карточка реестра · статья / продукт / пресса: ссылки, где машина названа (атрибуция проверена 20 сентября 2026)

Иллюстрации

У каждой иллюстрации — рассказ о том, что на ней, и строка авторства.

Fig. 1 — Fig. 1: Conceptual schematica Schematic of the integrated optical circuit. The evolution of the input photon state is illustrated for the three conf…
Two-part figure of a thin-film lithium niobate receiver for time-bin qubits (a photon in a superposition of early and late slots, 100 ps apart): (a) rendered chip where a radio-frequency-driven electro-optic switch sends each slot into the short or long arm of an unbalanced interferometer, and three rows show how the drive waveform selects the measurement; (b) a Bloch sphere of time-bin states. From a 2026 Light: Science & Applications paper by Andrea Bernardi, Daniele Bajoni and co-authors. Fast electro-optic switching routes photons in photonic networks and processors; notice the switch acts within 100 ps. “Fig. 1 — Fig. 1: Conceptual schematica Schematic of the integrated optical circuit. The evolution of the input photon state is illustrated for the three configurations…” by Bernardi et al., www.nature.com/articles/s41377-026-02306-5, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 7 — Figure 7: Temporal multiplexing: Dynamic routing of 25 temporal modes at ITU channel 21. The red curve shows the collective retrieval of all 25 mode…
A data plot of optical signal versus time: 25 light pulses stored in a fibre loop, retrieved together after one loop (red) or selectively after 2, 5, 8 and 9 loops (blue). It comes from Compagnini, Tagliavacche, Bajoni and co-authors, paper "A Universal All-Fiber Quantum Buffer for the Telecom Band", at ITU channel 21. It illustrates switched routing of time modes, which photonic systems use to hold light and release it later; grey bands mark modes partly switched by the finite rise time of the 1060 nm control laser. “Fig. 7 — Figure 7: Temporal multiplexing: Dynamic routing of 25 temporal modes at ITU channel 21. The red curve shows the collective retrieval of all 25 modes after 1…” by Domenico Compagnini et al., arxiv.org/abs/2606.24681, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Fig. 1 — Figure 1: – Conceptual schematic. a Schematic of the integrated optical circuit. The evolution of the input photon state is illustrated for the thre…
A low-resolution drawing, not a photograph. (a) A thin-film lithium niobate chip: a time-bin photon (two pulses 100 ps apart) enters an electro-optic Mach–Zehnder switch with gold electrodes and a thermal phase shifter, which routes the early or late pulse into the long or short arm of an unbalanced interferometer (100 ps delay, phase electrode θ) feeding two detectors; rows i–iii show three switch drive settings and the resulting measurements. (b) Bloch sphere of the measured time-bin states. It is Fig. 1 of arXiv 2604.16695 (April 2026) by Andrea Bernardi, … Daniele Bajoni, on a gigahertz-rate receiver for time-bin quantum communication. It shows photonic switching at single-switch scale. “Fig. 1 — Figure 1: – Conceptual schematic. a Schematic of the integrated optical circuit. The evolution of the input photon state is illustrated for the three…” by Andrea Bernardi et al., arxiv.org/abs/2604.16695, CC BY 4.0 (creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
cx_switch · слой 4 Связность / транспорт · центральность 8.4 · продемонстрировано · с 2015 · обновлено 2026-09-30

Фотонная коммутация / маршрутизация (электрооптика, прямая связь)

Электрооптические и МЭМС-переключатели маршрутизируют фотоны между волноводами по решению, принимаемому в реальном времени по оповещающему (heralding) отсчёту, — транспортный слой с доминирующими потерями, общий для всех фотонных архитектур.

Вердикт. Лучшие опубликованные потери на встроенном переключателе — 100 mdB (BTO у PsiQuantum), это ~14x бюджета отказоустойчивости в ~7 mdB по состоянию на 4 сентября 2026 г.; энергонезависимые приборы решают проблему статической мощности, а не потерь.

Ключевые источники

Λ = коэффициент подавления ошибок на один шаг кодового расстояния; QBI = DARPA Quantum Benchmarking Initiative (Stage A — концепция → B — план НИОКР → C — государственная V&V); G1–G7 = классы целей отчёта (см. «Участники и экономика»).

Сущность и происхождение

Электрооптический или механический элемент внутри интерферометра Маха–Цендера задаёт его коэффициент деления, поэтому сетка реализует произвольное унитарное преобразование и, управляемая более ранним оповещающим отсчётом, маршрутизирует фотоны в реальном времени. Родословная идёт от шестимодового чипа Carolan с 15 MZI 2015 года D[455] — термооптического, перестраиваемого «за секунды», то есть с противоположного конца оси скорости и мощности относительно того, что требуется вычислениям на слияниях (fusion). Всё последующее пыталось сохранить эту программируемость, снимая её потери и статическую мощность.

  • b/e: переключение за ns–µs (10⁻⁶·⁰ s), электрооптическое, драйверы при комнатной температуре; само по себе не запутывает.
  • d/g: летающие фотоны маршрутизируются в волноводах фотонных интегральных схем (ФИС); каждая ступень облагает налогом бюджет потерь.

Физика и пределы

Потери мультипликативны, поэтому архитектура фиксирует бюджет на ступень, который прибор либо выдерживает, либо машины не существует: при полном фотонном бюджете порядка 0.5 dB на всю глубину сети слияний допуск на один переключатель составляет ≈7 mdB D[173]. Отказоустойчивость на слияниях терпит 2.7% потерь на фотон с ресурсными состояниями типа шестикольца и 17% — только с 168-кубитными состояниями, которые никто не умеет строить D[179]. Семейства разменивают по-разному: термооптические фазовращатели дают малые потери, но рассеивают по милливатту каждый и переключаются за µs, что непригодно при 2 K на 10⁴ каналов; титанат бария и тонкоплёночный ниобат лития переключаются за ns при малой мощности, но добавляют потери материала и потери на переходах. Второй режим отказа — конечное подавление (extinction): амплитуда, утёкшая не в тот порт, — это ошибка без оповещения, а не потеря. Чтобы сдвинуть нижний предел, нужны более высокие электрооптические коэффициенты (эффективный r у титаната бария примерно в ~30× выше, чем у ниобата лития, поэтому фазовращатели укорачиваются и теряют меньше), переходы между материалами с меньшими потерями и энергонезависимость.

Достигнутый инженерный уровень

Лучший опубликованный встроенный переключатель: титанат бария у PsiQuantum с вносимыми потерями 100 mdB и вводом волокно-чип 52(12) mdB при ~2 K D[169]факт. Aurora — единственная цифра системного масштаба: 35 чипов, 0.19 dB на MZI, ~14 dB суммарных потерь, вычислений с коррекцией ошибок нет D[173]. Энергонезависимая матрица на титанате бария 2026 года переключается за 80 ns при 1.48 dB на ячейку и с нулевой статической мощностью после установки состояния D[516] — это результат по статической мощности, а не по потерям. Доминирующая ошибка — накопленные вносимые потери, затем ввод излучения.

таблица
Год Показатель Кто Тег+ключ
2025-01 0.19 dB/MZI; ~14 dB системных потерь; требование ≈7 mdB Xanadu D[173]
2025-02 Переключатель BTO 100 mdB; волокно-чип 52(12) mdB PsiQuantum D[169]
2026-06 Энергонезависимая ячейка BTO: 80 ns, 1.48 dB, нулевая статическая мощность UPV iTEAM D[516]
2026-08 Совместимый с фабрикой МЭМС-переключатель, <1.5 dB, >30 dB подавления, ~20 nW UC Berkeley P[517]

Производство, материалы и цепочка поставок

Волноводы из нитрида кремния или тонкоплёночного ниобата лития, титанат бария в качестве активного элемента, сверхпроводниковые нанопроволочные детекторы на той же 300-mm пластине; у PsiQuantum запуски идут на GlobalFoundries, которая 2026-05-21 открыла подразделение квантового производства под письмо о намерениях CHIPS на $375M C[353]. Титанат бария на кремнии — осаждение, доступное немногим линиям; товарная база тонкоплёночного ниобата лития — это два поставщика венчурного масштаба, HyperLight и Lightium P[518]. Корпусирование — второе бутылочное горлышко: результат Xanadu по вводу излучения потребовал волоконных сборок Corning и разделения пластин на кристаллы оборудованием DISCO C[172]. Цифр по выходу годных публично нет; ни одна категория экспортного контроля фотонные переключатели не называет, и правило BIS 2024 года дотягивается до них лишь через ECCN 4A906 факт.

Управление, считывание и нагрузка на ввод-вывод

Прямая связь (feed-forward) означает, что фотон ждёт в линии задержки, пока отсчёт криогенного детектора классифицируется, а переключатель приводится в действие, — и это связывает задержку с потерями, на чипе жестоко. При потерях распространения в нитриде кремния одна наносекунда задержки на чипе стоит нескольких десятых dB, то есть больше всего бюджета на ступень, тогда как та же наносекунда в волокне при ≈0.2 dB/km бесплатна: прямая связь живёт в волокне и должна разрешаться за наносекунды. QuiX называет электронику прямой связи одной из двух задач, которые обязана решить её система 2026 года C[177]. Ввод-вывод масштабируется с глубиной сети, а не с числом кубитов; при 10⁴–10⁶ модах связывающими ограничениями становятся число каналов детекторов и криогенная мощность, удерживающая каждый переключатель в состоянии.

Роль в стеке

Транспорт для всех трёх фотонных архитектур: машины на дискретных переменных со слияниями (PsiQuantum, Quandela, QuiX), архитектура на непрерывных переменных с кодом Готтесмана–Китаева–Прескилла (GKP) у Xanadu и бозонный сэмплер. Требует фабричного процесса ФИС и предоставляет маршрутизацию, превращающую исходы слияний с оповещением в кластерное состояние; замены ему нет. Каждый участник ветви зависит от одного и того же числа, что делает его единой точкой отказа всей ветви. Производный такт = сумма раунда синдрома: слои вентилей + транспорт + считывание + сброс здесь не определён, поскольку архитектура на слияниях раунда синдрома не выполняет; пол ~1 µs задан прямой связью и восстановлением детектора, а не переключателем. Соседний пустой слот: энергонезависимый переключатель ниже 10 mdB.

Свидетельства — как измерены числа

Потери и подавление переключателя получают прямой характеризацией вносимых потерь относительно опорных трактов на чипе — это более твёрдые числа, чем точности вентилей, и одновременно наименее сопоставимые, поскольку каждый поставщик указывает свою границу отсчёта. 0.19 dB у Aurora — это на один MZI вместе с межсоединением; 100 mdB у PsiQuantum — только сам переключающий элемент; 0.085 dB на грань у Xanadu — это ввод волокно-чип, продвигаемый как отраслевой эталон C[172], хотя PsiQuantum опубликовала 52(12) mdB для того же интерфейса годом раньше D[169]. Складывать или ранжировать их без общего протокола нельзя, и ни одно из них не воспроизведено вне породившей его группы. Верификация системы здесь — это бюджет потерь, а не свидетель логической точности.

«Потери в волноводе 0,5 дБ/м» для Omega в основном отчёте расходятся с указанным в статье значением для одномодового нитрида кремния 1,8(2) дБ/м факт; ни одно из них не является характеристикой переключателя.

Участники и экономика

Кто.
| Организация | Роль | Страна | Что именно делает с технологией | Свидетельство |
|---|---|---|---|---|
| PsiQuantum | разработчик | США | Переключатели BTO на 100 mdB, под V&V DARPA | D[169] |
| Xanadu | разработчик | Канада | Коммутационная сеть Aurora; ввод излучения и корпусирование | D[173] |
| QuiX Quantum | разработчик | Нидерланды | Аппаратура прямой связи; Carina в DLR | C[177] |
| Quandela | разработчик | Франция | 12-кубитная коммутируемая система в CEA | C[176] |
| GlobalFoundries | поставщик | США | Линия 300 mm; письмо о намерениях CHIPS на $375M | C[353] |
| DARPA | инвестор | США | Деньги Stage C покупают валидацию переключателей BTO | P[181] |

Деньги.
| Дата | Участник | Событие | Сумма | Программа / лид | Статус |
|---|---|---|---|---|---|
| 2025-09-10 | PsiQuantum | раунд серии E | $1B при оценке $7B | BlackRock, Temasek | закрыто C[519] |
| 2026-03-26 | Xanadu | слияние SPAC | ~$302M, на 40% ниже плана | Crane Harbor | закрыто C[178] |
| 2026-05-21 | Минторг США | письма о намерениях CHIPS | $375M, $100M | GlobalFoundries, PsiQuantum | LOI факт |
| 2026-07-22 | PsiQuantum | QBI Stage C расширен | $125M после $31.8M | DARPA | официально P[181] |
| 2026-08-28 | Xanadu | финансирование завода в Торонто | CAD 195M | Правительство Канады | закрыто C[178] |

Рынок и цепочка поставок. Обеспечивающее оборудование не является квантовым: 300-mm КМОП (GlobalFoundries), сборка волоконных матриц (Corning), разделение пластин на кристаллы (DISCO), база тонкоплёночного ниобата лития из двух мелких поставщиков P[518]. Концентрация сидит в мейнстримных цепочках, где у фотонной квантовой компании нет ни переговорной силы, ни второго источника для приклейки волоконной сборки. За этот компонент платят G3 и G4 — без закрытия разрыва по потерям фотонного логического кубита не существует, — а G1/G5 не платят.

Интеллектуальная собственность и стандарты. Патентного семейства именно по квантовой фотонной коммутации не всплыло; ближайший смежный выданный патент — US 12,437,225 компании ORCA Computing на линейно-оптические измерения кодированных GHZ-состояний (2025-10-07) факт. Классическая ИС по MZI-переключателям обширна и неквантова; подсчёты PatSnap до этого слоя не разукрупнены Pфакт. Ни органа по стандартизации, ни судебных споров, ни общего интерфейса прямой связи.

Дорожные карты и послужной список. PsiQuantum (2024-04, на полезную машину к концу 2027 г.) — по состоянию на 4 сентября 2026 г. закладка площадки состоялась лишь 2026-06-17 после смены места P[183], поставка криогенной установки Linde ожидается во 2H 2027 Cфакт, публикаций по аппаратуре за 2026 год нет; компоненты сильные, система не подтверждена. Xanadu (2026-08-31, на потери 1.0× от порога в 2030 г. против нынешних 24.1×) — первая в отрасли количественная дорожная карта, прямо называющая разрыв по этому компоненту. QuiX (2025-07, на универсальную систему в 2026 г.) — Carina поставлена в июле 2026 г., пусконаладка не завершена. Quandela — Lucy поставлена, веха по логическому кубиту 2025 года не выполнена.

Стратегическое прочтение. Тот, кто первым поставит энергонезависимый переключатель ниже 10 mdB, завладеет бутылочным горлышком сразу обеих фотонных архитектур, поскольку требование не зависит от кодирования; отсюда и Stage C у DARPA покупает валидацию переключателей, корпусирования и криогеники, а не алгоритма. Если разрыв не закроется, ветвь проигрывает целиком — ни один фотонный запасной вариант не обходится без коммутации, — тогда как модальности на веществе не имеют эквивалентного барьера, сводимого к одному числу. Рычаг находится у GlobalFoundries, Corning и DISCO.

Перспективы и открытые вопросы

Подтвердить/понизить в течение 12–24 месяцев: энергонезависимый переключатель ниже 50 mdB; независимое воспроизведение цифры 100 mdB; поставку криогенной установки PsiQuantum в Моретон-Бей во 2H 2027, как обещано; опубликованную петлю прямой связи быстрее 100 ns. В лучшем случае к 2029 г.: энергонезависимая коммутация с однозначным числом mdB и закрытие обещанных Xanadu 24.1×. В худшем случае: потери выходят на плато вблизи 100 mdB, и фотонная отказоустойчивость для всей ветви уезжает за 2031 год. Открыто: даёт ли титанат бария приемлемый выход годных на 300 mm; можно ли получить второй источник для приклейки волоконных сборок; станет ли подавление связывающим ограничением, когда потери упадут. Следить за цифрой потерь Xanadu в 2027 году.

Литература
  1. [169] K. Alexander et al., “A manufacturable platform for photonic quantum computing,” Nature, vol. 641, no. 8064, pp. 876–883, Feb. 2025, doi: 10.1038/s41586-025-08820-7. [D]
  2. [172] Xanadu, “Xanadu sets new industry benchmark in photonic chip packaging,” PR Newswire, Jun. 10, 2026. [Online]. Available: https://www.prnewswire.com/news-releases/xanadu-sets-new-industry-benchmark-in-photonic-chip-packaging-302796562.html [C]
  3. [173] H. A. Rad et al., “Scaling and networking a modular photonic quantum computer,” Nature, vol. 638, no. 8052, pp. 912–919, Jan. 2025, doi: 10.1038/s41586-024-08406-9. [D]
  4. [176] Quandela, “Quandela delivers Lucy, the most advanced photonic quantum computer worldwide, to EuroHPC and GENCI at CEA's TGCC,” Oct. 23, 2025. [Online]. Available: https://www.quandela.com/about-us/newsroom/quandela-delivers-lucy-the-most-advanced-photonic-quantum-computer-worldwide-to-eurohpc-and-genci-at-ceas-tgcc/ [C]
  5. [177] QuiX Quantum, “QuiX Quantum Delivers Carina Core Hardware Platform to DLR QCI, Advancing Europe's Universal Photonic Quantum Computing Roadmap,” Jul. 14, 2026. [Online]. Available: https://www.quixquantum.com/news/quix-quantum-delivers-carina-core-hardware-platformto-dlr-qci [C]
  6. [178] Xanadu Quantum Technologies Limited, “Xanadu Charts Path to Over 1,000 Logical Qubits by 2031,” GlobeNewswire, Aug. 31, 2026. [Online]. Available: https://www.globenewswire.com/news-release/2026/08/31/3353211/0/en/xanadu-charts-path-to-over-1-000-logical-qubits-by-2031.html [C]
  7. [179] S. Bartolucci et al., “Fusion-based quantum computation,” Nat. Commun., vol. 14, Art. no. 912, Feb. 2023, doi: 10.1038/s41467-023-36493-1. arXiv:2101.09310. [D]
  8. [181] M. Abdel-Kareem, “PsiQuantum Secures $125 Million Expanded Agreement with DARPA under QBI Program,” Quantum Computing Report, Jul. 22, 2026. [Online]. Available: https://quantumcomputingreport.com/psiquantum-secures-125-million-expanded-agreement-with-darpa-under-qbi-program/ [P]
  9. [183] D. Van Boom, “PsiQuantum ditches Brisbane Airport plan in bid to break ground on supercomputer,” Forbes Australia, May 20, 2026. [Online]. Available: https://www.forbes.com.au/news/innovation/psiquantums-stalled-quantum-plant-to-break-ground-after-location-switch/ [P]
  10. [353] GlobalFoundries, “GlobalFoundries launches Quantum Technology Solutions to scale U.S. quantum manufacturing,” May 21, 2026. [Online]. Available: https://gf.com/gf-press-release/globalfoundries-launches-quantum-technology-solutions-to-scale-us-quantum-manufacturing/ Also https://investors.gf.com/news-releases/news-release-details/globalfoundries-launches-quantum-technology-solutions-scale-us. [C]
  11. [455] J. Carolan et al., “Universal Linear Optics,” arXiv:1505.01182, May 2015. [D]
  12. [516] C. Català-Lahoz et al., “High-speed non-volatile barium titanate field-programmable photonic gate array,” Nat. Photon., vol. 20, no. 8, pp. 932–940, Aug. 2026, doi: 10.1038/s41566-026-01934-y. [D]
  13. [517] A. Roy et al., “Zero-change foundry compatible silicon photonics MEMS optical switch,” arXiv:2608.03146, Aug. 2026. [P]
  14. [518] optics.org, “Lithium niobate in vogue as thin-film developers raise cash,” Sep. 24, 2024. [Online]. Available: https://optics.org/news/lithium-niobate-in-vogue-as-thin-film-developers-raise-cash [P]
  15. [519] PsiQuantum, “PsiQuantum Raises $1 Billion to Build Million-Qubit Scale, Fault-Tolerant Quantum Computers,” Sep. 10, 2025. [Online]. Available: https://www.psiquantum.com/news-import/psiquantum-1b-fundraise [C]