Computing
QNodeOS: Il primo sistema operativo rivoluziona il networking quantistico
Il rapido aumento del calcolo quantistico
Il calcolo quantistico ha compiuto progressi negli ultimi mesi.
È iniziato con Google’s Willow in dicembre 2024, forse il primo chip quantistico scalabile di sempre. È seguito dalla notizia della prima computazione quantistica distribuita attraverso un collegamento di rete ottica, aprendo la strada a computer quantistici collegati come quelli normali in server dedicati.
Il turno di Microsoft, con il suo chip Majorana 1 che utilizza uno stato della materia completamente nuovo, topoconductori.
È diventato anche chiaro che si stava aprendo per collegare insieme più computer quantistici.
Con, allo stesso tempo, chip più potenti e affidabili e una maggiore interconnessione, è chiaro che la capacità di calcolo dei sistemi quantistici esploderà molto presto.
La prossima fase del calcolo quantistico
Man mano che i problemi hardware vengono risolti, il settore del calcolo quantistico attraverserà fasi simili a quelle della computazione classica. Questo significa che stiamo uscendo dall’era dei dispositivi sperimentali e dei sistemi ultra-specializzati, su misura…
Questo sarebbe caratterizzato immediatamente da:
- Un’era di mainframe operativi in costruzione, con computer massivi utilizzati principalmente per ricerca, difesa o scopi commerciali.
- Nuove applicazioni per questi nuovi dispositivi vengono scoperte quasi quotidianamente.
- Lo sviluppo di linguaggi di programmazione, sistemi operativi e altri strumenti per sfruttare meglio la potenza di calcolo del mainframe quantistico.
Un passo solido in quella direzione è stato compiuto da ricercatori della Delft University of Technology (Paesi Bassi), dell’Universität Innsbruck (Austria), della Sorbonne Université (Francia), dell’Ecole Normale Supérieure (Francia), con la creazione di un sistema operativo quantistico (OS)1.
Questo lavoro è stato pubblicato nella prestigiosa rivista Nature, con il titolo “Un sistema operativo per eseguire applicazioni su nodi di rete quantistica”.
Questo progetto è stato creato sotto l’Quantum Internet Alliance (QIA), un’iniziativa europea che mira a creare una rete prototipo di internet quantistico.
Rendere il calcolo quantistico accessibile
I primi computer furono programmati da specialisti elettronici, che comprendevano le complesse dinamiche dei tubi a vuoto e l’hardware dei primi mainframe.
Ciò è cambiato, con la programmazione che è diventata progressivamente un campo indipendente, in cui i programmatori non devono comprendere come funziona il computer per farlo eseguire calcoli.
Considerando quanto siano complessi i sistemi di calcolo quantistico, fino al punto di inventare uno stato della materia completamente nuovo nel caso di Majorana 1, è ragionevole aspettarsi che i programmatori avranno bisogno di un set simile di strumenti per gestire la programmazione dei computer quantistici.
Ciò è particolarmente vero poiché la maggior parte delle applicazioni del calcolo quantistico si trovano in scienze molto complesse come biologia, fisica, scienze dei materiali, chimica, crittografia, ecc. Pertanto è irragionevole aspettarsi che gli scienziati, già impegnati a rimanere al vertice del loro campo, debbano anche diventare esperti di hardware quantistico.
“Il sistema è come il software sul tuo computer di casa: non è necessario sapere come funziona l’hardware per usarlo.
Rimuovendo essenzialmente la barriera tra hardware di rete e software, il sistema operativo consentirà agli sviluppatori di creare applicazioni con facilità e su un ampio spettro di soluzioni hardware.
Mariagrazia Iuliano, dottorando presso QuTech.
Ignorare l’hardware
L’interconnessione dei computer quantistici è finora avvenuta a livello hardware, ottenendo l’entanglement di particelle attraverso una rete di fibra ottica e la teletrasporto quantistico.
Per essere davvero utile, una rete quantistica avrà bisogno di un livello di networking indipendente dall’hardware, più simile a come i computer attualmente interagiscono tra loro tramite trasferimenti di messaggi.
Fonte: Nature
Così i ricercatori hanno creato QNodeOS, un sistema operativo dedicato a “parlare” con l’hardware quantistico e a rendere possibile programmare e interagire tramite metodi di networking normali.
“L’obiettivo della nostra ricerca è portare la tecnologia delle reti quantistiche a tutti. Con QNodeOS stiamo facendo un grande passo avanti. Stiamo rendendo possibile – per la prima volta – programmare ed eseguire applicazioni su una rete quantistica facilmente.
Il nostro lavoro crea anche un quadro che apre intere nuove aree di ricerca nella scienza dei computer quantistici.
Prof. Dr. Stephanie Wehner – Professore di Scienza dei Computer Quantistici presso TU Delft
Il motivo per cui si ignora l’hardware utilizzato è anche che un vero Internet quantistico includerà probabilmente molte tecnologie non correlate, allo stesso modo in cui l’Internet attuale ha interazioni tra PC, Mac, smartphone, server, ecc.
Solo creando uno strato intermedio di astrazione, che lavori con tutti gli hardware quantistici, si può raggiungere in modo duraturo un certo livello di uniformità e interazioni.
I ricercatori hanno testato i loro metodi collegando due nodi di rete quantistica basati su centri di vacanza di azoto (NV) nel diamante. Hanno poi aggiunto un driver extra per QNodeOS per un nodo di rete quantistica a ioni intrappolati basato su un singolo atomo 40Ca+.
“I nostri processori a ioni intrappolati funzionano fondamentalmente in modo diverso rispetto a quelli basati su centri di colore nel diamante, eppure abbiamo dimostrato che QNodeOS può funzionare con entrambi.”
Tracy Northup – Professore presso l’Università di Innsbruck, Austria.
Costruire un OS quantistico
Pianificazione del calcolo quantistico
Un problema importante per qualsiasi interazione tra calcolo classico e quantistico in una rete è la differenza di scale temporali.
Le reti avranno ping in millisecondi; nel frattempo, i computer quantistici hanno tempi di elaborazione in microsecondi (mille volte più brevi) e richiedono precisione al nanosecondo per i controlli del calcolo quantistico (un milione di volte più breve).
Lo stesso problema di scala temporale è vero per la conservazione della memoria, poiché la maggior parte dei sistemi quantistici perde le proprie proprietà quantistiche molto più rapidamente dei computer classici.
Per questo motivo, un OS quantistico deve programmare con estrema precisione quando i computer quantistici attiveranno l’entanglement in ciascun nodo della rete.
In definitiva, ciò significa che l’esecuzione delle operazioni quantistiche locali dipenderà dal programma della rete.
Mentre il concetto è relativamente semplice, la sua implementazione in termini pratici è tutt’altro che facile.
Fonte: Nature
Calcolo quantistico multitasking
Poiché un singolo chip quantistico dovrà rimanere inattivo per la maggior parte del tempo, in attesa del ping della rete per sincronizzarsi con altri nodi quantistici, il miglior utilizzo dell’hardware è farlo lavorare su più compiti in parallelo.
Altrimenti, la potenza di calcolo aggiuntiva fornita dalla rete sarà compensata da un tasso di utilizzo molto basso dell’hardware costoso.
Quindi, un OS quantistico funzionale deve essere in grado non solo di programmare un insieme di calcoli, ma di gestire molti programmi in parallelo, inclusi processi, gestione della memoria quantistica e richieste di entanglement.
Fonte: Nature
Applicazioni future
Fornendo uno strato software comune compatibile con diversi hardware di calcolo quantistico, QNodeOS rappresenta un importante primo passo nell’espansione del calcolo quantistico dai laboratori alle applicazioni pratiche.
Insieme al SDK (software development kit) delle aziende di calcolo quantistico, questo sarà probabilmente la base delle prime app quantistiche orientate agli sviluppatori. Questo a sua volta dovrebbe aiutare a generalizzare l’utilizzo del calcolo quantistico oltre un ristretto gruppo di specialisti, a tutti gli analisti e ricercatori interessati a sfruttare questa forma molto speciale di calcolo nel loro lavoro.
Investire nel calcolo quantistico
IonQ
(IONQ )
IonQ è una società di calcolo quantistico che utilizza la tecnologia a ioni intrappolati, fondata da scienziati pionieri nel campo provenienti dall’Università del Maryland e dalla Duke University. È stata quotata in borsa al NYSE nel 2021.
Le piattaforme di calcolo quantistico di IonQ sono in grado di produrre risultati con una fedeltà del 99,9%. Attualmente utilizza una catena di 64 ioni di bario, producendo un qubit algoritmico (AQ) da 36.
L’organizzazione a catena consente un calcolo molto più veloce rispetto ad altri design a ioni intrappolati senza perdere fedeltà. Questo si aggiunge al fatto che la tecnologia a ioni intrappolati è di gran lunga il design più affidabile di computer quantistici.
Fonte: IonQ
IonQ ha acquisito Qubitekk a gennaio 2025, aggiungendo alle sue operazioni il team dell’azienda e 118 brevetti. La specialità di Qubitekk è nelle reti quantistiche, utilizzando interconnessioni fotoniche, abilitando cluster quantistici e avanzando le capacità dell’internet quantistico.
Le reti quantistiche dovrebbero facilitare comunicazioni altamente sicure e, in ultima analisi, consentire il calcolo quantistico distribuito. Considerando la rapidità con cui il settore si sta muovendo, l’expertise e i brevetti su questo tema potrebbero rivelarsi cruciali per il futuro di IonQ.
IonQ sta sviluppando una partnership con NKT Photonics (NKT.CO) per aiutare a sviluppare futuri computer quantistici pronti per i data center.
Sta inoltre collaborando con Imec su circuiti fotonici integrati e tecnologia di trappola ionica su scala chip per aumentare il numero di qubit dell’azienda, le dimensioni del sistema e i costi.
Invece di sviluppare il proprio SDK (Software Development Kit), l’azienda supporta tutti i principali contemporaneamente e collabora con molte aziende leader per sviluppare nuove applicazioni di calcolo quantistico.
Fonte: IonQ
IonQ è l’azione più vicina a un puro stock di calcolo quantistico per gli investitori che non sono interessati alle attività principali di altri leader come Google, Intel, IBM o Honeywell.
Quindi, insieme al suo concorrente Quantinuum, parte di Honeywell (HON ), IonQ è più vicino a sviluppare computer quantistici commerciali, con un focus su sistemi a ioni intrappolati ad alta fedeltà e con un numero di qubit inferiore.
Il suo successo precoce ha contribuito a costruire una solida rete di partnership con altri innovatori del calcolo quantistico per spingere avanti questa tecnologia, con un recente riorientamento verso computer quantistici in rete, qualcosa che dovrebbe essere ulteriormente incoraggiato dall’emergere di strumenti come QNodeOS
Novità su IonQ
Riferimento allo studio:
1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. Un sistema operativo per eseguire applicazioni su nodi di rete quantistica. Nature 639, 321–328 (2025).
