QNodeOS: Ensimmäinen käyttöjärjestelmä mullistaa kvanttiverkottamisen

Kvanttilaskennan äkillinen nousu

Quantum computing has been making strides these last months.

Kvanttilaskenta on edistynyt merkittävästi viime kuukausina.

Se alkoi Googlen Willowista joulukuussa 2024, mahdollisesti ensimmäisestä skaalautuvasta kvanttisirusta. Tämän jälkeen seurasi uutinen ensimmäisestä hajautetusta kvanttilaskennasta optisen verkkoyhteyden yli, mikä avasi tien kvanttitietokoneiden verkottumiselle kuten tavallisten palvelimien verkkoihin.

Microsoftin vuoro, sen Majorana 1 -sirun, joka käyttää täysin uutta aineen tilaa, topojohteita.

Myös kävi selväksi, että tie avautui useiden kvanttitulosten verkottamiseen.

Samanaikaisesti voimakkaampien ja luotettavampien sirujen sekä paremman yhteyden myötä on selvää, että kvanttijärjestelmien laskentateho räjähtää pian.

Kvanttilaskennan seuraava vaihe

Kun laitteistokysymykset ratkeavat, kvanttialan sektori käy läpi samankaltaisia vaiheita kuin klassinen laskenta teki. Tämä tarkoittaa, että poistumme kokeellisten laitteiden ja erittäin erikoistuneiden, räätälöityjen järjestelmien aikakaudesta, kuten 1940- ja 1950-luvuilla, ja siirrymme kaupallistamisvaiheeseen.

Tämä ilmenisi heti seuraavasti:

• Aikakausi toimivien pääkoneiden rakentamisesta, joissa massiivisia tietokoneita käytetään pääasiassa tutkimukseen, puolustukseen tai liiketoimintaan.
• Uusia sovelluksia näille laitteille löydetään lähes päivittäin.
• Ohjelmointikielten, käyttöjärjestelmien ja muiden työkalujen kehittäminen, jotta kvanttipääkoneen laskentatehoa voidaan hyödyntää paremmin.

Vankka askel tähän suuntaan on otettu Delftin teknillisessä yliopistossa (Alankomaat), Innsbruckin yliopistossa (Itävalta), Sorbonnen yliopistossa (Ranska) ja École Normale Supérieure -koulussa (Ranska) tutkijoiden toimesta, jotka loivat kvanttikäyttöjärjestelmän (OS)¹.

Tämä työ julkaistiin arvostetussa lehdessä Nature otsikolla “Käyttöjärjestelmä sovellusten suorittamiseen kvanttiverkon solmuissa”.

Tämä projekti luotiin Quantum Internet Alliance (QIA) -ohjelman alla, joka on eurooppalainen hanke prototyyppisen kvanttiverkon luomiseksi.

Kvanttilaskennan saavutettavuus

Alkuperäiset tietokoneet ohjelmoitiin sähköalan asiantuntijoiden toimesta, jotka ymmärsivät tyhjiöputkien ja ensimmäisten pääkoneiden laitteiston monimutkaisuuden.

Tämä muuttui, kun ohjelmointi kehittyi itsenäiseksi alaksi, eikä ohjelmoijien enää tarvinnut ymmärtää, miten tietokone toimii, jotta se suorittaisi laskutoimituksia.

Kun otetaan huomioon, kuinka monimutkaisia kvanttijärjestelmät ovat, jopa täysin uuden aineen tilan keksimiseen Majorana 1 -tapauksessa, on järkevää odottaa, että ohjelmoijat tarvitsevat vastaavan työkalupaketin kvanttietokoneiden ohjelmoimiseen.

Tämä pätee erityisesti, koska suurin osa kvanttilaskennan sovelluksista on hyvin monimutkaisissa tieteissä, kuten biologiassa, fysiikassa, materiaalitieteissä, kemiassa, kryptografiassa jne. On siis epärealistista odottaa, että tutkijoiden, joiden on jo pysyttävä oman alansa kärjessä, täytyy myös tulla kvanttihardware‑asiantuntijoiksi.

“Järjestelmä on kuin kotitietokoneesi ohjelmisto: sinun ei tarvitse tietää, miten laitteisto toimii käyttääksesi sitä.

Poistamalla periaatteessa verkko‑laitteiston ja ohjelmiston välinen este, käyttöjärjestelmä mahdollistaa kehittäjille sovellusten luomisen helposti ja laajalla laitteistoratkaisujen kirjoilla.

Mariagrazia Iuliano, PhD‑opiskelija QuTechissä.

Laitteiston sivuuttaminen

Kvanttitietokoneiden välinen yhteys on tähän mennessä toteutettu laitteistotasolla, saavuttaen hiukkasentanglementin optisen kuituverkoston ja kvanttiteleportoinnin avulla.

Jotta kvanttiverkko olisi todella hyödyllinen, sen täytyy tarjota laitteistoriippumaton verkottuminen, joka muistuttaa enemmän nykyisten tietokoneiden viestinvaihtoa.

Lähde: Nature

Niinpä tutkijat loivat QNodeOS, käyttöjärjestelmän, joka on omistettu “keskustelemaan” kvanttihardwareen ja mahdollistaa ohjelmoinnin sekä vuorovaikutuksen tavallisten verkottamismenetelmien kautta.

“Tutkimuksemme tavoitteena on tuoda kvanttiverkko‑teknologia kaikille. QNodeOS:n avulla otamme suuren askeleen eteenpäin. Teemme mahdolliseksi – ensimmäistä kertaa – ohjelmoida ja suorittaa sovelluksia kvanttiverkossa helposti.

Työmme luo myös kehyksen, joka avaa täysin uusia alueita kvanttitan tietojenkäsittelytieteen tutkimuksessa.

Prof. Dr. Stephanie Wehner – TU Delftin kvanttitan tietojenkäsittelytieteen professori

Syynä laitteiston sivuuttamiseen on myös se, että todellinen kvanttiverkko todennäköisesti sisältää monia erilaisia teknologioita, aivan kuten nykyinen internet yhdistää PC:t, Macit, älypuhelimet, palvelimet jne.

Vain luomalla välikerroksen, joka abstrahoi ja toimii kaikkien kvanttihardwareiden kanssa, voidaan saavuttaa kestävä taso yhtenäisyyttä ja vuorovaikutusta.

Tutkijat testasivat menetelmiään yhdistämällä kaksi kvanttiverkon solmua, jotka perustuivat timantin typpi‑vakaus (NV) -keskuksiin. He lisäsivät sitten ylimääräisen ajurin QNodeOS:lle ansaan jäätyneelle ioniverkon solmulle, joka perustuu yhteen 40Ca+ -atomiin.

“Ansaan jäätyneet ioniprosessorimme toimivat periaatteessa eri tavalla kuin timantin värikeskuksiin perustuvat, mutta olemme osoittaneet, että QNodeOS voi toimia kummankin kanssa.”

Tracy Northup – professori Innsbruckin yliopistossa, Itävalta.

 Kvantti‑käyttöjärjestelmän rakentaminen

Kvanttilaskennan ajoitus

Keskeinen ongelma kaikessa klassisen ja kvanttilaskennan vuorovaikutuksessa verkossa on aikaskaalojen ero.

Verkoissa ping-aika on millisekunteina; samalla kvanttietokoneiden käsittelyaika on mikrosekunteina (tuhatta kertaa lyhyempi) ja ne vaativat nanosekuntien tarkkuutta kvanttilaskennan ohjauksessa (miljoona kertaa lyhyempi).

Sama aikakysymys pätee muistin säilyttämiseen, sillä useimmat kvanttisysteemit menettävät kvanttiasemansa paljon nopeammin kuin klassiset tietokoneet.

Tästä syystä kvanttikäyttöjärjestelmän on aikataulutettava erittäin tarkasti, milloin kvanttietokoneet käynnistävät lomittumisen verkon jokaisessa solmussa.

Lopulta tämä tarkoittaa, että paikallisten kvanttiprosessien suoritus riippuu verkon aikataulusta.

Vaikka käsite on melko yksinkertainen, sen toteuttaminen käytännössä ei ole helppoa.

Lähde: Nature

Kvanttilaskennan moniajo

Koska yksittäinen kvanttisiru joutuu olemaan suurimman osan ajasta odottamassa verkon pingin synkronoitumista muiden kvanttisolmujen kanssa, paras tapa hyödyntää laitteistoa on käyttää sitä useiden tehtävien rinnakkaiseen suorittamiseen.

Jos näin ei tehdä, verkon tarjoama ylimääräinen laskentateho kompensoituu erittäin alhaisella kalliiden laitteiden käyttöasteella.

Siksi toimivan kvanttikäyttöjärjestelmän on pystyttävä paitsi aikatauluttamaan yksi laskentajoukko, myös käsittelemään useita ohjelmia rinnakkain, mukaan lukien prosessit, kvanttimuistin hallinta ja lomittumispyynnöt.

Lähde: Nature

Tulevaisuuden sovellukset

Tarjoamalla yhteisen ohjelmistokerroksen, joka on yhteensopiva erilaisten kvanttihardwareiden kanssa, QNodeOS on tärkeä ensimmäinen askel kvanttilaskennan laajentamisessa laboratorioista käytännön sovelluksiin.

Yhdessä kvanttialan yritysten SDK:n (software development kit) kanssa tämä todennäköisesti muodostaa ensimmäisten kehittäjäystävällisten kvanttisovellusten perustan. Tämä puolestaan auttaa yleistämään kvanttilaskennan käyttöä kapean asiantuntijaryhmän ulkopuolelle, kaikille analyytikoille ja tutkijoille, jotka haluavat hyödyntää tätä erityistä laskentamuotoa työssään.

Sijoittaminen kvanttialaan laskentaan

IonQ on kvanttilaskentayritys, joka käyttää ansaan jäätyneitä ioni‑teknologiaa, ja sen perusti alansa pioneirit Marylandin yliopistosta ja Duke‑yliopistosta. Se listautui julkisesti NYSE:ssä vuonna 2021.

IonQ:n kvanttialustat pystyvät tuottamaan 99,9 % tarkkuuden tuloksen. Se käyttää tällä hetkellä 64‑bariumioni‑ketjua, joka tuottaa 36‑algoritmista kvanttibittiä (AQ).

Kетjurakenne mahdollistaa paljon nopeamman laskennan kuin muut ansaan jäätyneet ionirakenteet menettämättä tarkkuutta. Tämä on lisäetu, sillä ansaan jäätyneet ionit ovat selvästi luotettavin kvanttitietokoneiden suunnittelu.

Lähde: IonQ

IonQ hankki Qubitekkin tammikuussa 2025, lisäten toimintaansa yrityksen tiimin ja 118 patenttia. Qubitekkin erikoisosaaminen on kvanttiverkoissa, valoaineisten yhteyksien käytössä, kvanttiklusterien mahdollistamisessa ja kvanttiverkon kyvykkyyksien edistämisessä.

Kvanttiverkkojen tulisi mahdollistaa erittäin suojattu viestintä ja lopulta sallia hajautettu kvanttilaskenta. Kun otetaan huomioon alan nopea kehitys, asiantuntemus ja immateriaalioikeudet tässä aiheessa voivat olla ratkaisevia IonQ:n tulevaisuudelle.

IonQ kehittää yhteistyötä NKT Photonics (NKT.CO) kanssa tulevaisuuden datakeskuksiin soveltuvien kvanttietokoneiden kehittämiseksi.

Se tekee myös yhteistyötä Imecin kanssa valoaineisten integroitujen piirikorttien ja sirun tasoisen ionikoukun teknologian kehittämiseksi, jotta yrityksen kvanttibittien määrä, järjestelmän koko ja kustannukset skaalautuisivat.

Sen sijaan, että se kehittäisi oman SDK:n (Software Development Kit), yritys tukee kaikkia suurimpia kerralla ja tekee yhteistyötä monien johtavien yritysten kanssa uusien kvanttilaskentasovellusten kehittämiseksi.

Lähde: IonQ

IonQ on lähin puhdas kvanttilaskentaa tarjoava osake sijoittajille, jotka eivät ole kiinnostuneita muiden johtajien, kuten Googlen, Intelin, IBM:n tai Honeywellin, päätoiminnoista.

Yhdessä kilpailijansa Quantinuumin, joka on osa Honeywellia (HON ), kanssa IonQ on lähempänä kaupallisten kvanttietokoneiden kehittämistä, keskittyen korkean tarkkuuden ja pienemmän kvanttibittimäärän ansaan jäätyneisiin ionijärjestelmiin.

Varhainen menestys on auttanut sitä rakentamaan vahvan verkoston kumppanuuksia muiden kvanttialan innovaattoreiden kanssa, jotta teknologiaa voidaan edelleen edistää, ja se on äskettäin keskittynyt uudelleen verkottuihin kvanttietokoneisiin, mikä tulisi edelleen kannustaa työkalujen, kuten QNodeOS:n, avulla.

Uusimmat IonQ:ssä

Tutkimusviite:

^{1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. An operating system for executing applications on quantum network nodes. Nature 639, 321–328 (2025).}