Computing
QNodeOS: Het eerste besturingssysteem dat quantumnetwerken revolutioneert
De plotselinge opkomst van quantumcomputing
Quantumcomputing heeft de afgelopen maanden grote stappen gezet.
Het begon met Google’s Willow in december 2024, misschien wel de eerste schaalbare quantumchip ooit. Daarna volgde het nieuws over de eerste gedistribueerde quantumcomputing via een optische netwerklink, waardoor quantumcomputers net als gewone computers in speciale servers kunnen worden gekoppeld.
Daarna was Microsoft’s beurt, met zijn Majorana 1-chip die een geheel nieuwe materietoestand gebruikt, topoconductors.
Het werd ook duidelijk dat de weg zich opende voor het netwerken van meerdere quantumcomputers.
Met tegelijkertijd krachtigere en betrouwbaardere chips en meer onderlinge verbindingen, is het duidelijk dat de rekencapaciteit van quantumsystemen binnenkort enorm zal exploderen.
De volgende fase van quantumcomputing
Naarmate de hardware‑problemen worden opgelost, zal de quantumcomputing‑sector door vergelijkbare stadia gaan als de klassieke computerindustrie. Dit betekent dat we het tijdperk van experimentele apparaten en ultra‑gespecialiseerde, op maat gemaakte systemen uit de jaren 40 en 50 verlaten en de commercialisatiefase betreden.
Dit zou meteen gekenmerkt worden door:
- Een tijdperk van operationele mainframes die worden gebouwd, met enorme computers die voornamelijk worden gebruikt voor onderzoek, defensie of zakelijke doeleinden.
- Nieuwe toepassingen voor deze nieuwe apparaten worden bijna dagelijks ontdekt.
- De ontwikkeling van programmeertalen, besturingssystemen en andere tools om de rekencapaciteit van de quantum‑mainframe beter te benutten.
Een solide stap in die richting is gezet door onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (Nederland), der Universität Innsbruck (Oostenrijk), Sorbonne Université (Frankrijk), Ecole Normale Supérieure (Frankrijk), met de creatie van een quantum‑besturingssysteem (OS)1.
Dit werk werd gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature, onder de titel “An operating system for executing applications on quantum network nodes”.
Dit project werd gecreëerd onder de Quantum Internet Alliance (QIA), een Europees initiatief dat een prototype van een quantum‑internetnetwerk wil creëren.
Quantumcomputing toegankelijk maken
De allereerste computers werden geprogrammeerd door elektronische specialisten, die de complexe ins en outs van vacuümbuizen en de hardware van de eerste mainframe‑computers begrepen.
Dit veranderde, doordat programmeren geleidelijk een onafhankelijk vakgebied werd, waarbij programmeurs niet hoefden te begrijpen hoe de computer werkt om berekeningen uit te voeren.
Gezien hoe complex quantumcomputingsystemen zijn, tot het punt van het uitvinden van een geheel nieuwe materietoestand in het geval van Majorana 1, is het redelijk te verwachten dat programmeurs een vergelijkbare set tools nodig zullen hebben om quantumcomputers te programmeren.
Dit is vooral waar omdat de meeste toepassingen van quantumcomputing zich in zeer complexe wetenschappen bevinden zoals biologie, natuurkunde, materiaalkunde, scheikunde, cryptografie, enz. Het is dus onredelijk te verwachten dat wetenschappers die al top van hun vakgebied staan, ook nog quantum‑hardware‑experts moeten worden.
“Het systeem is als de software op je thuiscomputer: je hoeft niet te weten hoe de hardware werkt om het te gebruiken.
Door in wezen de barrière tussen netwerkhardware en software weg te nemen, zal het besturingssysteem ontwikkelaars in staat stellen om met gemak applicaties te maken over een breed scala aan hardware‑oplossingen.
Hardware negeren
De onderlinge verbinding van quantumcomputers heeft tot nu toe op hardware‑niveau plaatsgevonden, door het bereiken van verstrengeling van deeltjes via een netwerk van glasvezel en quantum‑teleportatie.
Om echt nuttig te zijn, zal een quantumnetwerk een hardware‑agnostisch niveau van netwerken nodig hebben, meer vergelijkbaar met hoe computers momenteel met elkaar communiceren via berichtoverdracht.
Bron: Nature
Dus hebben de onderzoekers QNodeOS, een besturingssysteem gecreëerd dat is gewijd aan het “praten” met de quantumhardware en het mogelijk maakt om te programmeren en te interageren via normale netwerkmethoden.
“Het doel van ons onderzoek is om quantumnetwerktechnologie voor iedereen toegankelijk te maken. Met QNodeOS zetten we een grote stap vooruit. We maken het mogelijk – voor het eerst – om applicaties op een quantumnetwerk eenvoudig te programmeren en uit te voeren.
Ons werk creëert bovendien een raamwerk dat geheel nieuwe gebieden van onderzoek in quantum‑computerwetenschappen opent.”
Prof. Dr. Stephanie Wehner – Professor of Quantum Computer Science at TU Delft’s
De reden om de gebruikte hardware te negeren is ook dat een echt quantum‑Internet waarschijnlijk veel verschillende technologieën zal omvatten, net zoals het huidige internet interactie heeft tussen pc’s, Macs, smartphones, servers, enz.
Alleen door een tussenliggende abstractielaag te creëren die met alle quantumhardware werkt, kan een zekere mate van uniformiteit en interactie duurzaam worden bereikt.
De onderzoekers testten hun methoden door twee quantumnetwerkknooppunten te verbinden die gebaseerd zijn op stikstof‑vacature (NV) centra in diamant. Vervolgens voegden ze een extra driver toe voor QNodeOS voor een gevangen‑ion‑quantumnetwerkknooppunt gebaseerd op een enkele 40Ca+ ‑atom.
“Onze gevangen‑ion‑processoren werken fundamenteel anders dan die gebaseerd op kleurcentra in diamant, maar we hebben aangetoond dat QNodeOS met beide kan werken.”
Tracy Northup – Professor aan de Universiteit van Innsbruck, Oostenrijk.
Een quantum‑OS bouwen
Planning van quantumberekening
Een groot probleem voor elke interactie tussen klassieke en quantumcomputing in een netwerk is het verschil in tijdschalen.
Netwerken hebben een ping in milliseconden; ondertussen hebben quantumcomputers een verwerkingstijd in microseconden (duizend keer korter) en vereisen ze nanosecondenprecisie voor de controle van de quantumberekening (een miljoen keer korter).
Hetzelfde tijdsframe‑probleem geldt voor geheugenvastheid, aangezien de meeste quantum‑systemen hun quantum‑eigenschappen veel sneller verliezen dan klassieke computers.
Om deze reden moet een quantum‑OS heel precies plannen wanneer de quantumcomputers verstrengeling activeren in elk knooppunt van het netwerk.
Uiteindelijk betekent dit dat de uitvoering van lokale quantum‑operaties afhankelijk zal zijn van het netwerkschema.
Hoewel het concept relatief eenvoudig is, is de praktische implementatie allesbehalve gemakkelijk.
Bron: Nature
Multitasking van quantumberekeningen
Omdat een individuele quantumchip het grootste deel van de tijd idle moet blijven, wachtend op de netwerkpings om te synchroniseren met andere quantumknooppunten, is de beste benutting van de hardware om deze parallel op meerdere taken te laten werken.
Zo niet, dan wordt de extra rekencapaciteit van het netwerk gecompenseerd door een zeer laag gebruikspercentage van de dure hardware.
Daarom moet een functioneel quantum‑OS niet alleen één set berekeningen kunnen plannen, maar ook vele programma’s parallel kunnen afhandelen, inclusief processen, quantum‑geheugenbeheer en verstrengelingsverzoeken.
Bron: Nature
Toekomstige toepassingen
Door een gemeenschappelijke softwarelaag te bieden die compatibel is met verschillende quantum‑computing‑hardware, is QNodeOS een belangrijke eerste stap in de uitbreiding van quantumcomputing van laboratoria naar praktische toepassingen.
Samen met SDK’s (software‑development‑kits) van quantum‑computing‑bedrijven zal dit waarschijnlijk de basis vormen voor de eerste ontwikkelaar‑vriendelijke quantum‑apps. Dit zal op zijn beurt helpen om het gebruik van quantumcomputing te generaliseren van een kleine groep specialisten naar alle analisten en onderzoekers die deze bijzondere vorm van rekenen in hun werk willen benutten.
Investeren in quantum computing
IonQ
(IONQ )
IonQ is een quantumcomputing‑bedrijf dat gebruikmaakt van trapped‑ion‑technologie, opgericht door pionierswetenschappers op dit gebied van de Universiteit van Maryland en Duke University. Het werd in 2021 publiek genoteerd aan de NYSE.
IonQ‑platformen kunnen een resultaat met 99,9 % fideliteit leveren. Momenteel gebruiken ze een keten van 64 barium‑ionen, waarmee ze een 36‑algoritmisch qubit (AQ) produceren.
De ketenorganisatie maakt veel snellere berekeningen mogelijk dan andere trapped‑ion‑ontwerpen, zonder verlies van fideliteit. Dit komt bovenop het feit dat trapped‑ion veruit het meest betrouwbare ontwerp van quantumcomputers is.
Bron: IonQ
IonQ verwierf Qubitekk in januari 2025, waarmee het team en 118 patenten van dat bedrijf aan IonQ werden toegevoegd. Qubitekk’s specialiteit ligt op quantumnetwerken, met fotonische interconnecties, het mogelijk maken van quantum‑clusters en het bevorderen van quantum‑internet‑mogelijkheden.
Quantumnetwerken moeten zeer beveiligde communicatie faciliteren en uiteindelijk gedistribueerde quantumcomputing mogelijk maken. Gezien de snelle ontwikkelingen kan expertise en intellectueel eigendom op dit gebied cruciaal blijken voor de toekomst van IonQ.
IonQ ontwikkelt een partnerschap met NKT Photonics (NKT.CO) om toekomstige datacenter‑klare quantumcomputers te helpen ontwikkelen.
Het bedrijf werkt ook samen met Imec aan fotonische geïntegreerde circuits en chip‑scale ion‑trap‑technologie om het aantal qubits, de systeemgrootte en de kosten op te schalen.
In plaats van een eigen SDK (Software Development Kit) te ontwikkelen, ondersteunt het bedrijf alle grote SDK’s tegelijk en werkt het samen met tal van toonaangevende bedrijven om nieuwe quantumcomputing‑applicaties te ontwikkelen.
Bron: IonQ
IonQ is de dichtstbijzijnde pure quantumcomputing‑aandelen voor investeerders die niet geïnteresseerd zijn in de hoofdactiviteiten van andere leiders zoals Google, Intel, IBM of Honeywell.
Dus samen met concurrent Quantinuum, onderdeel van Honeywell (HON ), staat IonQ dichter bij de ontwikkeling van commerciële quantumcomputers, met de focus op hoge fideliteit en een lager aantal qubits in trapped‑ion‑systemen.
Het vroege succes heeft geholpen een sterk netwerk van partnerschappen met andere quantumcomputing‑innovators op te bouwen om deze technologie vooruit te duwen, met een recente herfocus op netwerkgesteunde quantumcomputers, iets dat verder gestimuleerd zou moeten worden door de opkomst van tools zoals QNodeOS
Laatste nieuws over IonQ
Studieverwijzing:
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).
