QNodeOS: Sistem Operasi Pertama Merevolusi Jaringan Kuantum

Kenaikan Mendadak Komputasi Kuantum

Komputasi kuantum telah membuat kemajuan dalam beberapa bulan terakhir.

Dimulai dengan Google’s Willow pada Desember 2024, mungkin chip kuantum skalabel pertama yang pernah ada. Kemudian diikuti dengan berita tentang komputasi kuantum terdistribusi pertama melalui tautan jaringan optik, membuka jalan bagi komputer kuantum untuk dihubungkan seperti komputer biasa dalam server khusus.

Kemudian Giliran Microsoft, dengan chip Majorana 1 yang menggunakan keadaan materi baru sepenuhnya, topokonduktor .

Juga menjadi jelas bahwa jalan terbuka untuk menghubungkan bersama beberapa komputer kuantum.

Dengan, pada saat yang sama, chip yang lebih kuat dan dapat diandalkan, serta lebih banyak interkoneksi, jelas bahwa kapasitas komputasi sistem kuantum akan meledak sangat cepat.

Fase Selanjutnya Komputasi Kuantum

Seiring masalah perangkat keras terselesaikan, sektor komputasi kuantum akan melewati tahapan serupa seperti yang dilalui komputasi klasik. Ini berarti kita meninggalkan era perangkat eksperimental dan sistem ultra-spesialis, buatan khusus seperti pada tahun 1940-an dan 1950-an serta memasuki tahap komersialisasi.

Ini akan ditandai sekaligus dengan:

• Era mainframe operasional yang dibangun, dengan komputer besar yang kebanyakan digunakan untuk penelitian, pertahanan, atau keperluan bisnis.
• Aplikasi baru untuk perangkat ini ditemukan hampir setiap hari.
• Pengembangan bahasa pemrograman, sistem operasi, dan alat lainnya untuk memanfaatkan lebih baik kekuatan perhitungan mainframe kuantum.

Langkah solid ke arah itu telah diambil oleh peneliti di Delft University of Technology (Belanda), Universität Innsbruck (Austria), Sorbonne Université (Prancis), Ecole Normale Supérieure (Prancis), dengan penciptaan sistem operasi kuantum (OS)¹.

Karya ini dipublikasikan dalam jurnal bergengsi Nature, dengan judul “An operating system for executing applications on quantum network nodes”.

Proyek ini dibuat di bawah Quantum Internet Alliance (QIA), sebuah inisiatif Eropa yang bertujuan menciptakan prototipe jaringan internet kuantum.

Membuat Komputasi Kuantum dapat Diakses

Komputer pertama sekali diprogram oleh spesialis elektronik, yang memahami seluk-beluk kompleks tabung hampa dan perangkat keras komputer mainframe pertama.

Hal ini berubah, dengan pemrograman secara bertahap menjadi bidang independen, sehingga programmer tidak harus memahami cara kerja komputer untuk membuatnya melakukan perhitungan.

Mengingat betapa kompleksnya sistem komputasi kuantum, hingga pada titik menciptakan keadaan materi baru sepenuhnya dalam kasus Majorana 1, wajar mengharapkan programmer memerlukan seperangkat alat serupa untuk menangani pemrograman komputer kuantum.

Hal ini terutama benar karena sebagian besar aplikasi komputasi kuantum berada dalam ilmu yang sangat kompleks seperti biologi, fisika, ilmu material, kimia, kriptografi, dll. Jadi tidak realistis mengharapkan ilmuwan yang sudah harus berada di puncak bidangnya juga menjadi ahli perangkat keras kuantum.

“Sistem ini seperti perangkat lunak di komputer rumah Anda: Anda tidak perlu mengetahui cara kerja perangkat keras untuk menggunakannya.

Dengan secara esensial menghilangkan penghalang antara perangkat keras jaringan dan perangkat lunak, sistem operasi akan memungkinkan pengembang membuat aplikasi dengan mudah dan di seluruh spektrum solusi perangkat keras yang luas.

Mariagrazia Iuliano, PhD student at QuTech.

Mengabaikan Perangkat Keras

Interkoneksi komputer kuantum sejauh ini berada pada level perangkat keras, mencapai keterikatan partikel melalui jaringan serat optik dan teleportasi kuantum.

Untuk benar-benar berguna, jaringan kuantum akan memerlukan level jaringan yang tidak tergantung pada perangkat keras, lebih mirip dengan cara komputer saat ini berinteraksi satu sama lain melalui transfer pesan.

Sumber: Nature

Jadi para peneliti menciptakan QNodeOS, sebuah sistem operasi yang didedikasikan untuk “berbicara” dengan perangkat keras kuantum dan memungkinkan pemrograman serta interaksi melalui metode jaringan normal.

“Tujuan riset kami adalah membawa teknologi jaringan kuantum ke semua orang. Dengan QNodeOS kami mengambil langkah besar ke depan. Kami membuatnya mungkin – untuk pertama kalinya – untuk memprogram dan mengeksekusi aplikasi pada jaringan kuantum dengan mudah.

Pekerjaan kami juga menciptakan kerangka kerja yang membuka area baru sepenuhnya dalam riset ilmu komputer kuantum.

Prof. Dr. Stephanie Wehner – Professor of Quantum Computer Science at TU Delft’s

Alasan mengabaikan jenis perangkat keras yang digunakan juga karena internet Kuantum sejati kemungkinan akan mencakup banyak teknologi yang tidak terkait, sama seperti internet saat ini yang melibatkan PC, Mac, smartphone, server, dll.

Hanya dengan menciptakan lapisan abstraksi perantara, yang bekerja dengan semua perangkat keras kuantum, beberapa tingkat keseragaman dan interaksi dapat dicapai secara berkelanjutan.

Para peneliti menguji metode mereka dengan menghubungkan dua node jaringan kuantum berbasis pusat nitrogen‑vakansi (NV) dalam intan. Mereka kemudian menambahkan driver tambahan untuk QNodeOS bagi node jaringan kuantum ion terperangkap berbasis atom 40Ca+ tunggal.

“Prosesor ion terperangkap kami berfungsi secara fundamental berbeda dibandingkan yang berbasis pusat warna dalam intan, namun kami telah menunjukkan QNodeOS dapat bekerja dengan keduanya.”

Tracy Northup – Professor at the University of Innsbruck, Austria.

 Membangun OS Kuantum

Penjadwalan Perhitungan Kuantum

Masalah utama untuk setiap interaksi antara komputasi klasik dan kuantum dalam sebuah jaringan adalah perbedaan skala waktu.

Jaringan akan memiliki ping dalam milidetik; sementara itu, komputer kuantum memiliki waktu pemrosesan dalam mikrodetik (seribu kali lebih pendek) dan memerlukan presisi nanodetik untuk kontrol perhitungan kuantum (sejuta kali lebih pendek).

Masalah kerangka waktu yang sama berlaku untuk retensi memori, karena kebanyakan sistem kuantum kehilangan sifat kuantumnya jauh lebih cepat daripada komputer klasik.

Untuk alasan ini, OS kuantum perlu menjadwalkan dengan sangat tepat kapan komputer kuantum akan memicu keterikatan di setiap node jaringan.

Akhirnya, ini berarti bahwa eksekusi operasi kuantum lokal akan bergantung pada jadwal jaringan.

Walaupun konsepnya relatif sederhana, implementasinya dalam praktik tidaklah mudah.

Sumber: Nature

Perhitungan Kuantum Multitugas

Karena sebuah chip kuantum individual harus menganggur sebagian besar waktu, menunggu ping jaringan untuk disinkronkan dengan node kuantum lain, penggunaan optimal perangkat keras adalah membuatnya bekerja pada banyak tugas secara paralel.

Jika tidak, daya komputasi tambahan dari jaringan akan diimbangi oleh tingkat penggunaan yang sangat rendah pada perangkat keras yang mahal.

Jadi, sebuah OS kuantum yang fungsional perlu mampu tidak hanya menjadwalkan satu set perhitungan tetapi menangani banyak program secara paralel, termasuk proses, manajemen memori kuantum, dan permintaan keterikatan.

Sumber: Nature

Aplikasi Masa Depan

Dengan menyediakan lapisan perangkat lunak umum yang kompatibel dengan berbagai perangkat keras komputasi kuantum, QNodeOS menjadi langkah pertama yang penting dalam memperluas komputasi kuantum dari laboratorium ke aplikasi praktis.

Bersama dengan SDK (software development kit) dari perusahaan komputasi kuantum, ini kemungkinan akan menjadi dasar aplikasi kuantum pertama yang ramah pengembang. Hal ini pada gilirannya harus membantu memgeneralisisasi pemanfaatan komputasi kuantum di luar kelompok kecil spesialis, ke semua analis dan peneliti yang tertarik memanfaatkan bentuk komputasi yang sangat khusus ini dalam pekerjaan mereka.

Berinvestasi dalam Komputasi Kuantum

IonQ adalah perusahaan komputasi kuantum yang menggunakan teknologi ion terperangkap, didirikan oleh ilmuwan pionir di bidang ini dari University of Maryland dan Duke University. Perusahaan ini terdaftar secara publik di NYSE pada tahun 2021.

Platform komputasi kuantum IonQ mampu menghasilkan hasil dengan fidelitas 99,9%. Saat ini menggunakan rantai ion barium 64, menghasilkan 36 qubit algoritmik (AQ).

Organisasi rantai memungkinkan komputasi jauh lebih cepat dibandingkan desain ion terperangkap lainnya tanpa kehilangan fidelitas. Hal ini menambah keunggulan ion terperangkap yang jauh paling dapat diandalkan di antara desain komputer kuantum.

Sumber: IonQ

IonQ mengakuisisi Qubitekk pada Januari 2025, menambahkan tim perusahaan dan 118 paten ke IonQ. Spesialisasi Qubitekk adalah jaringan kuantum, menggunakan interkoneksi fotonik, memungkinkan klaster kuantum, dan memajukan kemampuan internet kuantum.

Jaringan kuantum seharusnya memfasilitasi komunikasi yang sangat aman dan pada akhirnya memungkinkan komputasi kuantum terdistribusi. Mengingat seberapa cepat bidang ini bergerak, keahlian dan IP pada topik ini mungkin menjadi krusial bagi masa depan IonQ.

IonQ sedang mengembangkan kemitraan dengan NKT Photonics (NKT.CO) untuk membantu mengembangkan komputer kuantum siap data center di masa depan.

IonQ juga berkolaborasi dengan Imec pada sirkuit terintegrasi fotonik dan teknologi perangkap ion skala chip untuk meningkatkan jumlah qubit, ukuran sistem, serta biaya perusahaan.

Alih-alih mengembangkan SDK sendiri, perusahaan ini mendukung semua SDK utama sekaligus, dan bermitra dengan banyak perusahaan terkemuka untuk mengembangkan aplikasi komputasi kuantum baru.

Sumber: IonQ

IonQ adalah saham komputasi kuantum paling murni bagi investor yang tidak tertarik pada aktivitas utama pemimpin lain seperti Google, Intel (INTC ), IBM, atau Honeywell.

Jadi bersama pesaingnya Quantinuum, bagian dari Honeywell (HON ), IonQ lebih dekat mengembangkan komputer kuantum komersial, dengan fokus pada sistem ion terperangkap berfidelitas tinggi dan jumlah qubit lebih sedikit.

Keberhasilan awalnya telah membantu membangun jaringan kemitraan yang kuat dengan inovator komputasi kuantum lain untuk terus mendorong teknologi ini maju, dengan fokus kembali pada komputer kuantum yang terhubung jaringan, sesuatu yang harus didorong lebih jauh oleh munculnya alat seperti QNodeOS.

Berita Terbaru tentang IonQ

Referensi Studi:

^{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).}