Computing
QNodeOS: Erstes Betriebssystem revolutioniert Quantenvernetzung
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Der plötzliche Aufschwung des Quantencomputings
Quantum computing hat in den letzten Monaten bedeutende Fortschritte gemacht.
Es begann mit Google’s Willow im Dezember 2024, möglicherweise dem ersten skalierbaren Quantenchip überhaupt. Es folgte die Meldung über die erste verteilte Quantencomputing über eine optische Netzwerkverbindung, die den Weg dafür ebnete, Quantencomputer wie herkömmliche in dedizierten Servern zu vernetzen.
Es wurde auch deutlich, dass der Weg für die Vernetzung mehrerer Quantencomputer geöffnet wurde für die Vernetzung mehrerer Quantencomputer.
Gleichzeitig mit leistungsfähigeren und zuverlässigeren Chips sowie mehr Vernetzung ist klar, dass die Rechenkapazität von Quantensystemen sehr bald explodieren wird.
Die nächste Phase des Quantencomputings
Während die Hardware‑Probleme gelöst werden, wird der Quantencomputing‑Sektor ähnliche Phasen durchlaufen wie das klassische Computing. Das bedeutet, dass wir die Ära experimenteller Geräte und ultra‑spezialisierter, maßgeschneiderter Systeme aus den 1940er und 1950er Jahren verlassen und in die Kommerzialisierungsphase eintreten.
Dies würde sich sofort durch Folgendes auszeichnen:
- Eine Ära von betriebsbereiten Großrechnern, die gebaut werden, wobei massive Computer hauptsächlich für Forschung, Verteidigung oder geschäftliche Zwecke genutzt werden.
- Fast täglich werden neue Anwendungen für diese Geräte entdeckt.
- Die Entwicklung von Programmiersprachen, Betriebssystemen und anderen Werkzeugen, um die Rechenleistung des Quanten‑Mainframes besser zu nutzen.
Ein solider Schritt in diese Richtung wurde von Forschern der Technischen Universität Delft (Niederlande), der Universität Innsbruck (Österreich), der Sorbonne Université (Frankreich) und der École Normale Supérieure (Frankreich) unternommen, mit der Schaffung eines Quanten‑Betriebssystems (OS)1.
Diese Arbeit wurde in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht, unter dem Titel „Ein Betriebssystem zur Ausführung von Anwendungen auf Quanten‑Netzwerkknoten“.
Dieses Projekt wurde im Rahmen der Quantum Internet Alliance (QIA) erstellt, einer europäischen Initiative, die ein Prototyp‑Quanteninternetznetzwerk schaffen will.
Quantencomputing zugänglich machen
Die allerersten Computer wurden von Elektronik‑Spezialisten programmiert, die die komplexen Details von Vakuumröhren und der Hardware der ersten Großrechner verstanden.
Das änderte sich, als das Programmieren allmählich zu einem eigenständigen Feld wurde, bei dem Programmierer nicht verstehen müssen, wie der Computer funktioniert, um Berechnungen auszuführen.
Angesichts der Komplexität von Quantencomputingsystemen, bis hin zur Erfindung eines völlig neuen Materiezustands im Fall von Majorana 1, ist es vernünftig anzunehmen, dass Programmierer ein ähnliches Werkzeugset benötigen, um Quantencomputer zu programmieren.
Dies gilt besonders, da die meisten Anwendungen des Quantencomputings in sehr komplexen Wissenschaften wie Biologie, Physik, Materialwissenschaften, Chemie, Kryptographie usw. liegen. Daher ist es unvernünftig zu erwarten, dass Wissenschaftler, die bereits an der Spitze ihres Fachgebiets stehen, auch noch Quanten‑Hardware‑Experten werden müssen.
„Das System ist wie die Software auf Ihrem Heimcomputer: Sie müssen nicht wissen, wie die Hardware funktioniert, um sie zu benutzen.“
Indem die Barriere zwischen Netzwerk‑Hardware und Software im Wesentlichen entfernt wird, ermöglicht das Betriebssystem Entwicklern, Anwendungen mühelos und über ein breites Spektrum von Hardware‑Lösungen hinweg zu erstellen.
Mariagrazia Iuliano, PhD student at QuTech.
Hardware ignorieren
Die Vernetzung von Quantencomputern erfolgte bisher auf Hardware‑Ebene, Teilchenverschränkung über ein Netzwerk aus Glasfasern und Quanten‑Teleportation erreichen.
Um wirklich nützlich zu sein, benötigt ein Quanten‑Netzwerk eine hardware‑agnostische Netzwerkschicht, die eher der Art entspricht, wie Computer derzeit über Nachrichtenübertragungen miteinander interagieren.
Quelle: Nature
So haben die Forscher QNodeOS, ein Betriebssystem geschaffen, das darauf ausgerichtet ist, mit der Quanten‑Hardware zu „kommunizieren“ und es ermöglicht, über normale Netzwerkmethoden zu programmieren und zu interagieren.
„Das Ziel unserer Forschung ist es, die Quanten‑Netzwerktechnologie für alle zugänglich zu machen. Mit QNodeOS machen wir einen großen Schritt nach vorne. Wir ermöglichen – zum ersten Mal – das einfache Programmieren und Ausführen von Anwendungen auf einem Quanten‑Netzwerk.“
„Unsere Arbeit schafft zudem ein Rahmenwerk, das völlig neue Bereiche der Quanten‑Informatik‑Forschung eröffnet.“
Prof. Dr. Stephanie Wehner – Professor für Quanteninformatik an der TU Delft
Der Grund, die verwendete Hardware zu ignorieren, liegt auch darin, dass ein echtes Quanten‑Internet wahrscheinlich viele unterschiedliche Technologien umfassen wird, ähnlich wie das aktuelle Internet Interaktionen zwischen PCs, Macs, Smartphones, Servern usw. ermöglicht.
Nur durch die Schaffung einer Zwischenschicht der Abstraktion, die mit aller Quanten‑Hardware arbeitet, kann ein gewisses Maß an Einheitlichkeit und Interaktionen dauerhaft erreicht werden.
Die Forscher testeten ihre Methoden, indem sie zwei Quanten‑Netzwerkknoten, die auf Stickstoff‑Vakanzen‑ (NV‑) Zentren in Diamant basieren, miteinander verbanden. Anschließend fügten sie einen zusätzlichen Treiber für QNodeOS für einen gefangenen‑Ion‑Quanten‑Netzwerkknoten hinzu, der auf einem einzelnen 40Ca+‑Atom basiert.
„Unsere gefangenen‑Ion‑Prozessoren arbeiten grundlegend anders als jene, die auf Farbzentrums‑ in Diamant basieren, doch wir haben gezeigt, dass QNodeOS mit beiden funktionieren kann.“
Tracy Northup – Professor an der Universität Innsbruck, Österreich.
Ein Quanten‑Betriebssystem bauen
Planung quantenbasierter Berechnungen
Ein zentrales Problem jeder Interaktion zwischen klassischem und Quanten‑Computing in einem Netzwerk ist der Unterschied in den Zeitskalen.
Netzwerke haben Ping‑Latenzen in Millisekunden; gleichzeitig haben Quantencomputer Verarbeitungszeiten in Mikrosekunden (tausendmal kürzer) und benötigen Nanosekunden‑Präzision für die Steuerung der Quantenberechnung (eine Million Mal kürzer).
Dasselbe Zeitrahmen‑Problem gilt für die Speichererhaltung, da die meisten Quantensysteme ihre Quanteneigenschaften deutlich schneller verlieren als klassische Computer.
Aus diesem Grund muss ein Quanten‑OS sehr präzise planen, wann die Quantencomputer in jedem Knoten des Netzwerks Verschränkung auslösen.
Letztlich bedeutet das, dass die Ausführung lokaler Quantenoperationen vom Netzwerk‑Zeitplan abhängen wird.
Obwohl das Konzept relativ einfach ist, ist seine praktische Umsetzung alles andere als leicht.
Quelle: Nature
Multitasking bei quantenbasierten Berechnungen
Da ein einzelner Quantenchip die meiste Zeit im Leerlauf verbringen muss, während er auf den Netzwerk‑Ping wartet, um sich mit anderen Quantenknoten zu synchronisieren, ist die beste Nutzung der Hardware, ihn gleichzeitig an mehreren Aufgaben arbeiten zu lassen.
Andernfalls wird die zusätzliche Rechenleistung durch das Netzwerk durch eine sehr geringe Auslastung der teuren Hardware kompensiert.
Daher muss ein funktionierendes Quanten‑OS nicht nur einen Satz von Berechnungen planen, sondern viele Programme parallel verwalten können, einschließlich Prozesse, Quanten‑Speicherverwaltung und Verschränkungsanfragen.
Quelle: Nature
Zukünftige Anwendungen
Durch die Bereitstellung einer gemeinsamen Softwareschicht, die mit unterschiedlicher Quanten‑Computing‑Hardware kompatibel ist, stellt QNodeOS einen wichtigen ersten Schritt bei der Erweiterung des Quantencomputings von Laboren zu praktischen Anwendungen dar.
Zusammen mit SDKs (Software Development Kits) von Quanten‑Computing‑Unternehmen wird dies wahrscheinlich die Grundlage der ersten entwicklerfreundlichen Quanten‑Apps bilden. Dies wiederum sollte die Nutzung des Quantencomputings über eine enge Gruppe von Spezialisten hinaus verallgemeinern, sodass alle Analysten und Forscher, die diese besondere Form des Rechnens in ihrer Arbeit einsetzen möchten, profitieren.
Investitionen in Quantencomputing
IONQ Preisdiagramm
IonQ ist ein Quanten‑Computing‑Unternehmen, das die Trapped‑Ion‑Technologie nutzt und von Pionierwissenschaftlern aus dem Bereich der University of Maryland und der Duke University gegründet wurde. Es wurde 2021 an der NYSE notiert.
IonQ‑Quanten‑Computing‑Plattformen können Ergebnisse mit 99,9 %‑Treue erzeugen. Derzeit verwendet es eine Kette aus 64 Barium‑Ionen, die einen 36‑algorithmischen Qubit (AQ) erzeugt.
Die Kettenorganisation ermöglicht ein deutlich schnelleres Rechnen als andere Trapped‑Ion‑Designs, ohne die Treue zu verlieren. Dies kommt hinzu, da Trapped‑Ion bei weitem das zuverlässigste Design von Quantencomputern ist.
Quelle: IonQ
IonQ erwarb Qubitekk im Januar 2025, und integrierte das Team des Unternehmens sowie 118 Patente in IonQ. Qubitekks Spezialgebiet liegt in Quanten‑Netzwerken, die photonische Verbindungen nutzen, Quanten‑Cluster ermöglichen und die Fähigkeiten des Quanten‑Internets vorantreiben.
Quanten‑Netzwerke sollten hochsichere Kommunikation ermöglichen und letztlich verteiltes Quanten‑Computing erlauben. Angesichts der schnellen Entwicklung des Feldes könnten Fachwissen und IPs zu diesem Thema für die Zukunft von IonQ entscheidend sein.
IonQ entwickelt eine Partnerschaft mit NKT Photonics (NKT.CO), um zukünftige, für Rechenzentren geeignete Quantencomputer zu entwickeln.
Es arbeitet zudem mit Imec an photonischen integrierten Schaltkreisen und chip‑basierten Ionenfallen‑Technologien zusammen, um die Qubit‑Anzahl, Systemgröße und Kosten des Unternehmens zu skalieren.
Anstatt ein eigenes SDK (Software Development Kit) zu entwickeln, unterstützt das Unternehmen gleichzeitig alle großen SDKs und arbeitet mit vielen führenden Unternehmen zusammen, um neue Quanten‑Computing‑Anwendungen zu entwickeln.
Quelle: IonQ
IonQ ist die dem reinen Quanten‑Computing‑Aktienmarkt am nächsten für Investoren, die an den Hauptaktivitäten anderer Marktführer wie Google, Intel (INTC ), IBM oder Honeywell nicht interessiert sind.
Zusammen mit seinem Konkurrenten Quantinuum, Teil von Honeywell (HON ), ist IonQ näher daran, kommerzielle Quantencomputer zu entwickeln, wobei der Fokus auf hoch‑treuen, weniger Qubit‑zählenden Trapped‑Ion‑Systemen liegt.
Sein früher Erfolg hat ihm geholfen, ein starkes Netzwerk von Partnerschaften mit anderen Quanten‑Computing‑Innovatoren aufzubauen, um diese Technologie voranzutreiben, mit einem jüngsten Fokus auf vernetzte Quantencomputer, etwas, das durch das Aufkommen von Werkzeugen wie QNodeOS weiter gefördert werden sollte.
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Studienreferenz:
1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. Ein Betriebssystem zur Ausführung von Anwendungen auf Quanten‑Netzwerkknoten. Nature 639, 321–328 (2025).
