QNodeOS: Det første operativsystem revolutionerer Quantum Networking

Den pludselige bølge af kvanteberegning

Quantum computing har gjort fremskridt de sidste måneder.

Det startede med Googles Willow i december 2024, måske den første skalerbare kvantechip nogensinde. Det fulgte derefter med nyheden om den første distribuerede kvanteberegning på tværs af en optisk netværksforbindelse, hvilket åbner vejen for, at kvantecomputere bliver netværket som normale på dedikerede servere.

Så var det Microsofts tur, Med Majorana 1 chip ved hjælp af en helt ny stoftilstand, topoledere.

Det blev også klart, at vejen åbnede sig til at netværke flere kvantecomputere.

Med på samme tid mere kraftfulde og pålidelige chips og mere sammenkobling er det klart, at kvantesystemernes computerkapacitet vil eksplodere meget snart.

Den næste fase af kvanteberegning

Efterhånden som hardwareproblemerne bliver løst, vil kvantecomputersektoren gennemgå lignende stadier, som klassisk databehandling gik. Det betyder, at vi forlader æraen med eksperimentelle enheder og ultra-specialiserede, specialfremstillede systemer som 1940'erne og 1950'erne og går ind i kommercialiseringsstadiet.

Dette vil med det samme være karakteriseret ved:

• En æra med operationelle mainframes, der bygges, med massive computere, der mest bruges til forskning, forsvar eller forretningsformål.
• Nye applikationer til disse nye enheder opdages næsten dagligt.
• Udviklingen af ​​programmeringssprog, operativsystemer og andre værktøjer til bedre at udnytte kvantemainframens beregningskraft.

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

Dette arbejde blev offentliggjort i den prestigefyldte anmeldelse Nature, under titlen "Et operativsystem til at udføre applikationer på kvantenetværksknuder".

Dette projekt blev oprettet under Quantum Internet Alliance (QIA), et europæisk initiativ, der søger at skabe en prototype af kvante internetnetværk.

Gør Quantum Computing tilgængelig

De allerførste computere blev programmeret af elektroniske specialister, som forstod de komplekse ins og outs af vakuumrør og hardwaren i de første mainframe-computere.

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

I betragtning af hvor komplekse kvantecomputersystemer er, indtil det punkt, hvor de opfinder en helt ny materietilstand i tilfældet Majorana 1, er det rimeligt at forvente, at programmører vil have brug for et lignende sæt værktøjer til at håndtere programmering af kvantecomputere.

Dette gælder især, da de fleste anvendelser af kvantecomputere er inden for meget komplekse videnskaber som biologi, fysik, materialevidenskab, kemi, kryptografi osv. Så det er urimeligt at forvente, at videnskabsmænd, der allerede skal forblive i toppen af ​​deres domæne, også bliver kvantehardware-eksperter.

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

Ved i det væsentlige at fjerne barrieren mellem netværkshardware og -software, vil operativsystemet give udviklere mulighed for at skabe applikationer med lethed og på tværs af et stort spektrum af hardwareløsninger.

Mariagrazia Iuliano, ph.d.-studerende ved QuTech.

Ignorerer hardware

Sammenkoblingen af ​​kvantecomputere har hidtil været på hardwareniveau, opnåelse af partikelsammenfiltring gennem et netværk af optisk fiber og kvanteteleportation.

For at være virkelig nyttigt vil et kvantenetværk have brug for et hardwareagnostisk netværksniveau, der ligner mere, hvordan computere i øjeblikket interagerer med hinanden med meddelelsesoverførsler.

Kilde: Natur

Så forskerne skabte QNodeOS, et operativsystem dedikeret til at "tale" til 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 – nemt at programmere og udføre applikationer på et kvantenetværk."

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

Prof. Dr. Stephanie Wehner - Professor i kvantedatalogi ved TU Delft

Grunden til at ignorere, hvilken hardware der bruges, er også, at et ægte kvanteinternet sandsynligvis vil omfatte mange ikke-relaterede teknologier, på samme måde som det nuværende internet har interaktion mellem pc'er, Mac'er, smartphones, servere osv.

Kun ved at skabe et mellemliggende lag af abstraktion, arbejde med al kvantehardware, kan en vis grad af ensartethed og interaktioner varigt opnås.

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

"Vores fangede ion-processorer fungerer fundamentalt anderledes end dem, der er baseret på farvecentre i diamant, men alligevel har vi vist, at QNodeOS kan arbejde med dem begge."

Tracy Northup - Professor ved universitetet i Innsbruck, Østrig.

 Opbygning af et Quantum OS

Planlægning af kvanteberegning

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

Netværk vil have ping på millisekunder; i mellemtiden har kvantecomputere behandlingstid i mikrosekunder (et tusind gange kortere) og kræver nanosekunders præcision til kontrol af kvanteberegningen (en million gange kortere).

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

Af denne grund skal et kvante-operativsystem planlægge meget præcist, hvornår kvantecomputerne vil udløse sammenfiltring i hver knude på netværket.

I sidste ende betyder det, at udførelsen af ​​lokale kvanteoperationer vil afhænge af netværksplanen.

Selvom konceptet er relativt simpelt, er implementeringen i praksis næsten let.

Kilde: Natur

Multitasking kvanteberegning

Fordi en individuel kvantechip skal forblive inaktiv det meste af tiden, mens den venter på, at netværkspinget synkroniserer med andre kvanteknuder, er den bedste brug af hardwaren at få den til at arbejde på flere opgaver parallelt.

Hvis ikke, vil den ekstra computerkraft fra netværk blive kompenseret af en meget lav forbrugsrate af den dyre hardware.

Så et funktionelt kvante-OS skal ikke kun kunne planlægge et sæt beregninger, men håndtere mange programmer parallelt, inklusive processer, håndtering af kvantehukommelse og entanglement-anmodninger.

Kilde: Natur

Fremtidige applikationer

Ved at levere et fælles softwarelag, der er kompatibelt med forskellig kvantecomputerhardware, er QNodeOS et vigtigt første skridt i udvidelsen af ​​kvanteberegning fra laboratorier til praktiske applikationer.

Sammen med SDK (softwareudviklingskit) fra kvantecomputerfirmaer vil dette sandsynligvis være grundlaget for de første udviklervenlige kvanteapps. Dette skulle igen hjælpe med at generalisere brugen af ​​kvantecomputere ud over en snæver gruppe af specialister, til alle analytikere og forskere, der er interesserede i at udnytte denne meget specielle form for computing i deres arbejde.

Investering i Quantum Computing

IonQ

IonQ er en kvantecomputervirksomhed, der bruger fanget-ion-teknologi, grundlagt af banebrydende videnskabsmænd på området fra University of Maryland og Duke University. Det blev offentligt noteret på NYSE i 2021.

IonQ quantum computing platforme er i stand til at producere et 99.9% fidelity resultat. Den bruger i øjeblikket en 64-barium-ionkæde, der producerer en 36-algoritmisk qubit (AQ).

Kædeorganisationen giver mulighed for meget hurtigere databehandling end andre fangede ion-designs uden at miste troskab. Dette kommer oven i, at fangede ion er langt det mest pålidelige design af kvantecomputere.

Kilde: IonQ

IonQ købte Qubitekk i januar 2025og tilføjer dermed virksomhedens team og 118 patenter til IonQ. Qubitekks speciale er kvantenetværk, der bruger fotoniske forbindelser, muliggør kvanteklynger og fremmer kvanteinternetfunktioner.

Kvantenetværk bør lette højt sikret kommunikation og i sidste ende give mulighed for distribueret kvanteberegning. I betragtning af hvor hurtigt feltet bevæger sig, kan ekspertise og IP'er om dette emne vise sig at være afgørende for IonQs fremtid.

IonQ er ved at udvikle et partnerskab med NKT Photonics (NKT.CO) for at hjælpe med at udvikle fremtidige datacenter-klare kvantecomputere.

Det samarbejder også med Imec på fotoniske integrerede kredsløb og ionfældeteknologi i chipskala for at opskalere virksomhedens qubitantal og systemstørrelse og omkostninger.

I stedet for at udvikle sit eget SDK (Software Development Kit), understøtter virksomheden alle de store på én gang og samarbejder med mange førende virksomheder for at udvikle nye kvantecomputerapplikationer.

Kilde: IonQ

IonQ er tættest på en ren kvantecomputeraktie for investorer, der er uinteresserede i andre lederes hovedaktiviteter som Google, Intel, IBM eller Honeywell.

Så sammen med sin konkurrent Quantinuum, en del af Honeywell (HON ), IonQ er tættere på at udvikle kommercielle kvantecomputere med sit fokus på high fidelity, lavere qubit count fangede-ion-systemer.

Dets tidlige succes har hjulpet det med at opbygge et stærkt netværk af partnerskaber med andre kvantecomputerinnovatorer for at blive ved med at skubbe denne teknologi fremad, med en nylig re-fokusering på netværksforbundne kvantecomputere, noget der bør opmuntres yderligere af fremkomsten af ​​værktøjer som QNodeOS

Seneste på IonQ

Studiereference:

^{1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. Et operativsystem til at udføre applikationer på kvantenetværksknuder. Natur 639, 321-328 (2025).}