QNodeOS: Første operativsystem revolutionerer kvante‑netværk

Den pludselige stigning i kvantecomputing

Kvantecomputing har gjort fremskridt i de seneste måneder.

Det startede med Googles Willow i december 2024, måske den første skalerbare kvantechip nogensinde. Derefter fulgte nyheden om den første distribuerede kvantecomputing over en optisk netværksforbindelse, som baner vejen for, at kvantecomputere kan netværkes som almindelige i dedikerede servere.

Så var det Microsofts tur, med deres Majorana 1‑chip, der bruger en helt ny tilstandsform af materie, topokonduktorer.

Det blev også tydeligt, at vejen åbnede for at netværke flere kvantecomputere sammen.

Samtidig med mere kraftfulde og pålidelige chips samt øget interkonnektivitet er det klart, at beregningskapaciteten for kvantesystemer snart vil eksplodere.

Den næste fase af kvantecomputing

Efterhånden som hardwareproblemerne løses, vil kvantecomputingssektoren gennemgå lignende faser som den klassiske computing gjorde. Det betyder, at vi forlader æraen med eksperimentelle enheder og ultra‑specialiserede, skræddersyede systemer fra 1940’erne og 1950’erne og træder ind i kommercialiseringsfasen.

Dette vil blive karakteriseret ved:

• En æra med operationelle mainframes, der bygges, med massive computere primært brugt til forskning, forsvar eller forretningsformål.
• Nye anvendelser for disse nye enheder opdages næsten dagligt.
• Udviklingen af programmeringssprog, operativsystemer og andre værktøjer for bedre at udnytte beregningskraften i kvante‑mainframe.

Et solidt skridt i den retning er blevet taget af forskere ved Delft University of Technology (Nederland), Universität Innsbruck (Østrig), Sorbonne Université (Frankrig), Ecole Normale Supérieure (Frankrig), med oprettelsen af et kvanteoperativsystem (OS)¹.

Dette arbejde blev offentliggjort i den prestigefyldte tidsskrift Nature under titlen “Et operativsystem til at køre applikationer på kvantenetværksnoder”.

Dette projekt blev skabt under Quantum Internet Alliance (QIA), en europæisk initiativ, der sigter mod at skabe et prototype kvanteinternetsnetværk.

Gør kvantecomputing tilgængelig

De allerførste computere blev programmeret af elektronikspecialister, som forstod de komplekse detaljer ved vakuumrør og hardwaren i de første mainframe‑computere.

Dette ændrede sig, da programmering gradvist blev et selvstændigt felt, hvor programmører ikke behøver at forstå, hvordan computeren fungerer, for at få den til at udføre beregninger.

I betragtning af hvor komplekse kvantecomputingsystemer er, helt op til opfindelsen af en helt ny tilstandsform af materie i tilfældet med Majorana 1, er det rimeligt at forvente, at programmører vil have brug for et lignende sæt værktøjer til at håndtere programmering af kvantecomputere.

Dette er især sandt, da de fleste anvendelser af kvantecomputing ligger inden for meget komplekse videnskaber som biologi, fysik, materialvidenskab, kemi, kryptografi osv. Så det er urimeligt at forvente, at forskere, som allerede skal være på toppen af deres felt, også skal blive eksperter i kvantehardware.

“Systemet er som softwaren på din hjemmecomputer: du behøver ikke at vide, hvordan hardwaren fungerer for at bruge den.

Ved i bund og grund at fjerne barrieren mellem netværkshardware og software vil operativsystemet give udviklere mulighed for nemt at skabe applikationer på tværs af et bredt spektrum af hardwareløsninger.

Mariagrazia Iuliano, PhD‑studerende ved QuTech.

Ignorerer hardware

Interkonnektivet af kvantecomputere har indtil nu været på hardware‑niveau, opnået partikelentanglement gennem et netværk af optisk fiber og kvanteteleportation.

For at være virkelig nyttigt, skal et kvantenetværk have et hardware‑agnostisk netværksniveau, mere ligesom hvordan computere i dag interagerer med hinanden via meddelelsesoverførsler.

Kilde: Nature

Så forskerne skabte QNodeOS, et operativsystem dedikeret til at “tale” med kvantehardwaren og gøre det muligt at programmere og interagere gennem normale netværksmetoder.

“Målet med vores forskning er at bringe kvantenetværksteknologi til alle. Med QNodeOS tager vi et stort skridt fremad. Vi gør det muligt – for første gang – at programmere og udføre applikationer på et kvantenetværk nemt.

Vores arbejde skaber også en ramme, der åbner helt nye områder inden for kvantecomputervidenskab.

Prof. Dr. Stephanie Wehner – Professor i kvantecomputervidenskab ved TU Delft’s

Grunden til at ignorere hvilken hardware der bruges, er også, at et ægte kvanteinternet sandsynligvis vil omfatte mange urelaterede teknologier, på samme måde som det nuværende internet har interaktion mellem PC’er, Macs, smartphones, servere osv.

Kun ved at skabe et mellemlag af abstraktion, der fungerer med al kvantehardware, kan et vist niveau af ensartethed og interaktioner opnås holdbart.

Forskerne testede deres metoder ved at forbinde to kvantenetværksnoder baseret på nitrogen‑vacancy (NV) centre i diamant. De tilføjede derefter en ekstra driver til QNodeOS for en fanget‑ion kvantenetværksnode baseret på en enkelt 40Ca+ atom.

“Vores fangede ionprocessorer fungerer grundlæggende anderledes end dem, der er baseret på farvecentre i diamant, men vi har vist, at QNodeOS kan fungere med begge.”

Tracy Northup – Professor ved University of Innsbruck, Østrig.

 Bygger et kvante‑OS

Planlægning af kvanteberegning

Et stort problem for enhver interaktion mellem klassisk og kvantecomputing i et netværk er forskellen i tidsskalaer.

Netværk vil have ping i millisekunder; samtidig har kvantecomputere behandlingstid i mikrosekunder (tusind gange kortere) og kræver nanosekunders præcision for styring af kvanteberegningen (en million gange kortere).

Det samme tidsrammeproblem gælder for hukommelsesbevarelse, da de fleste kvantesystemer mister deres kvanteegenskaber meget hurtigere end klassiske computere.

Af denne grund skal et kvante‑OS planlægge meget præcist, hvornår kvantecomputere vil udløse entanglement i hver node i netværket.

I sidste ende betyder dette, at udførelsen af lokale kvanteoperationer vil afhænge af netværkets tidsplan.

Selvom konceptet er relativt enkelt, er dets implementering i praksis alt andet end let.

Kilde: Nature

Multitasking af kvanteberegning

Da en individuel kvantechip vil skulle forblive inaktiv det meste af tiden, mens den venter på netværkspingen for at synkronisere med andre kvantenoder, er den bedste udnyttelse af hardwaren at få den til at arbejde på flere opgaver parallelt.

Hvis ikke, vil den ekstra beregningskraft fra netværket blive opvejet af en meget lav udnyttelsesgrad af den dyre hardware.

Derfor skal et funktionelt kvante‑OS kunne ikke kun planlægge ét sæt beregninger, men også håndtere mange programmer parallelt, inklusive processer, kvantehukommelsesstyring og entanglement‑anmodninger.

Kilde: Nature

Fremtidige anvendelser

Ved at levere et fælles softwarelag, der er kompatibelt med forskellig kvantecomputinghardware, er QNodeOS et vigtigt første skridt i udvidelsen af kvantecomputing fra laboratorier til praktiske anvendelser.

Sammen med SDK (software development kit) fra kvantecomputingsvirksomheder vil dette sandsynligvis danne grundlaget for de første udvikler‑venlige kvanteapps. Dette bør igen hjælpe med at generalisere brugen af kvantecomputing ud over en snæver gruppe af specialister til alle analytikere og forskere, der er interesserede i at udnytte denne meget specielle form for beregning i deres arbejde.

Investering i kvantecomputing

IonQ er en kvantecomputingvirksomhed, der bruger fanget‑ion‑teknologi, grundlagt af pionerforskere inden for feltet fra University of Maryland og Duke University. Den blev børsnoteret på NYSE i 2021.

IonQ’s kvantecomputingplatforme er i stand til at levere et resultat med 99,9 % nøjagtighed. Den bruger i øjeblikket en kæde af 64 bariumioner, der producerer en 36‑algoritmisk qubit (AQ).

Kædeorganisationen muliggør meget hurtigere beregning end andre fanget‑ion‑design uden at miste nøjagtighed. Dette kommer ud over, at fanget‑ion er langt den mest pålidelige design af kvantecomputere.

Kilde: IonQ

IonQ erhvervede Qubitekk i januar 2025, hvilket tilføjede virksomhedens team og 118 patenter til IonQ. Qubitekk’s speciale er inden for kvantenetværk, ved brug af fotoniske interconnects, muliggør kvanteklynger og fremmer kvanteinternettets kapaciteter.

Kvantenetværk bør muliggøre højt sikrede kommunikationer og i sidste ende tillade distribueret kvantecomputing. I betragtning af hvor hurtigt feltet udvikler sig, kan ekspertise og IP på dette område vise sig afgørende for IonQs fremtid.

IonQ udvikler et partnerskab med NKT Photonics (NKT.CO) for at hjælpe med at udvikle fremtidige datacenter‑klare kvantecomputere.

Det samarbejder også med Imec om fotoniske integrerede kredsløb og chip‑skala ionfælde‑teknologi for at skalere virksomhedens qubit‑antal samt systemstørrelse og omkostninger.

I stedet for at udvikle sit eget SDK (Software Development Kit) støtter virksomheden alle de store på én gang og indgår partnerskaber med mange førende virksomheder for at udvikle nye kvantecomputingapplikationer.

Kilde: IonQ

IonQ er den nærmeste til en ren kvantecomputing‑aktie for investorer, der ikke er interesserede i hovedaktiviteterne hos andre ledere som Google, Intel (INTC ), IBM eller Honeywell.

Så sammen med sin konkurrent Quantinuum, en del af Honeywell (HON ), er IonQ tættere på at udvikle kommercielle kvantecomputere, med fokus på høj nøjagtighed og lavere qubit‑antal i fanget‑ion‑systemer.

Dens tidlige succes har hjulpet den med at opbygge et stærkt netværk af partnerskaber med andre kvantecomputing‑innovatører for at fortsætte med at drive teknologien fremad, med et nyligt fokus på netværkede kvantecomputere, noget der bør opmuntres yderligere af fremkomsten af værktøjer som QNodeOS

Seneste om IonQ

Studierreferencer:

^{1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. Et operativsystem til at køre applikationer på kvantenetværksnoder. Nature 639, 321–328 (2025).}