Databehandling
QNodeOS: Første operativsystem revolusjonerer kvantenettverk
Den plutselige oppsvinget av kvantedatabehandling
Kvantedatabehandling har gjort store fremskritt de siste månedene.
Det startet med Googles Willow i desember 2024, kanskje den første skalerbare kvantebrikken noensinne. Deretter fulgte nyheten om den første distribuerte kvantedatabehandlingen over en optisk nettverkskobling, som åpnet veien for at kvantedatamaskiner kan nettverkskobles som vanlige maskiner i dedikerte servere.
Microsofts tur, med sin Majorana 1‑brikke som bruker en helt ny materietilstand, topokonduktorer
Det ble også tydelig at veien åpnet for å nettverkskoble flere kvantedatamaskiner sammen.
Samtidig med kraftigere og mer pålitelige brikker, og mer sammenkobling, er det klart at beregningskapasiteten til kvantesystemer vil eksplodere veldig snart.
Den neste fasen av kvantedatabehandling
Etter hvert som maskinvareproblemene blir løst, vil kvantedatabehandlingssektoren gå gjennom lignende faser som den klassiske databehandlingen gjorde. Dette betyr at vi forlater æraen med eksperimentelle enheter og ultra‑spesialiserte, skreddersydde systemer fra 1940‑ og 1950‑tallet og går inn i kommersialiseringsfasen.
Dette vil umiddelbart bli preget av:
- En æra med operative hoveddatamaskiner som bygges, med massive datamaskiner som hovedsakelig brukes til forskning, forsvar eller forretningsformål.
- Nye anvendelser for disse enhetene oppdages nesten daglig.
- Utviklingen av programmeringsspråk, operativsystemer og andre verktøy for å bedre utnytte beregningskraften til den kvantebaserte hoveddatamaskinen.
Et solid skritt i den retningen er tatt av forskere ved Delft University of Technology (Nederland), Universität Innsbruck (Østerrike), Sorbonne Université (Frankrike), Ecole Normale Supérieure (Frankrike), med opprettelsen av et kvanteoperativsystem (OS)1.
Dette arbeidet ble publisert i den prestisjetunge tidsskriftet Nature, under tittelen “Et operativsystem for å kjøre applikasjoner på kvantenettverksnoder”.
Dette prosjektet ble opprettet under Quantum Internet Alliance (QIA), et europeisk initiativ som ser etter å lage et prototypekvanteinternett.
Gjør kvantedatabehandling tilgjengelig
De aller første datamaskinene ble programmert av elektronikkspesialister som forsto de komplekse detaljene ved vakuumrør og maskinvaren til de første hoveddatamaskinene.
Dette endret seg, etter hvert som programmering ble et eget felt, hvor programmerere ikke trenger å forstå hvordan datamaskinen fungerer for å få den til å utføre beregninger.
Gitt hvor komplekse kvantedatabehandlingssystemer er, helt opp til å ha oppfunnet en helt ny materietilstand i tilfelle Majorana 1, er det rimelig å forvente at programmerere vil trenge et tilsvarende sett med verktøy for å håndtere programmering av kvantedatamaskiner.
Dette er spesielt sant ettersom de fleste anvendelser av kvantedatabehandling er innen svært komplekse vitenskaper som biologi, fysikk, materialvitenskap, kjemi, kryptografi osv. Så det er urimelig å forvente at forskere som allerede må holde seg på toppen av sitt fagfelt også skal bli eksperter på kvantehardware.
“Systemet er som programvaren på din hjemme‑datamaskin: du trenger ikke å vite hvordan maskinvaren fungerer for å bruke den.
Ved i hovedsak å fjerne barrieren mellom nettverksmaskinvare og programvare, vil operativsystemet tillate utviklere å enkelt lage applikasjoner på tvers av et bredt spekter av maskinvareløsninger.
Ignorerer maskinvare
Sammenkoblingen av kvantedatamaskiner har så langt vært på maskinvarenivå, ved å oppnå partikkel‑entanglement gjennom et nettverk av optisk fiber og kvante‑teleportasjon.
For å være virkelig nyttig, vil et kvantenettverk trenge et maskinvare‑agnostisk nettverksnivå, mer likt hvordan datamaskiner i dag kommuniserer med hverandre via meldingsoverføringer.
Kilde: Nature
Dermed skapte forskerne QNodeOS, et operativsystem dedikert til å «snakke» med kvante‑maskinvaren og gjøre det mulig å programmere og samhandle gjennom vanlige nettverksmetoder.
“Målet med vår forskning er å bringe kvantenettverksteknologi til alle. Med QNodeOS tar vi et stort skritt fremover. Vi gjør det mulig – for første gang – å programmere og kjøre applikasjoner på et kvantenettverk enkelt.
Vårt arbeid skaper også et rammeverk som åpner helt nye områder innen kvante‑datavitenskap.
Prof. Dr. Stephanie Wehner – professor i kvante‑datavitenskap ved TU Delft
Grunnen til at vi ignorerer hvilken maskinvare som brukes, er også at et ekte kvante‑internett sannsynligvis vil inkludere mange urelaterte teknologier, på samme måte som dagens internett har interaksjon mellom PC‑er, Mac‑er, smarttelefoner, servere osv.
Kun ved å skape et mellomliggende abstraksjonslag som fungerer med all kvante‑maskinvare, kan et visst nivå av ensartethet og interaksjoner oppnås varig.
Forskerne testet metodene sine ved å koble to kvantenettverksnoder basert på nitrogen‑vakuum (NV)‑sentra i diamant. Deretter la de til en ekstra driver for QNodeOS for en fanget‑ion‑kvantenettverksnode basert på et enkelt 40Ca+‑atom.
«Våre fanget‑ion‑prosessorer fungerer fundamentalt annerledes enn de som er basert på farge‑sentra i diamant, men vi har vist at QNodeOS kan fungere med begge.»
Tracy Northup – professor ved Universitetet i Innsbruck, Østerrike.
Bygge et kvante‑OS
Planlegging av kvanteberegning
Et stort problem for enhver interaksjon mellom klassisk og kvantedatabehandling i et nettverk er forskjellen i tidsskalaer.
Nettverk vil ha ping i millisekunder; samtidig har kvantedatamaskiner behandlingstid i mikrosekunder (tusen ganger kortere) og krever nanosekundpresisjon for kontroll av kvanteberegningen (en million ganger kortere).
Det samme tidsrammeproblemet gjelder minnelagring, ettersom de fleste kvantesystemer mister sine kvanteegenskaper mye raskere enn klassiske datamaskiner.
Av denne grunn må et kvante‑OS planlegge svært presist når kvantedatamaskinene vil utløse entanglement i hver node i nettverket.
Til syvende og sist betyr dette at utførelsen av lokale kvanteoperasjoner vil avhenge av nettverkets tidsplan.
Selv om konseptet er relativt enkelt, er implementeringen i praksis langt fra enkel.
Kilde: Nature
Multitasking av kvanteberegning
Fordi en individuell kvantebrikke må være inaktiv mesteparten av tiden, mens den venter på at nettverkspingen skal synkroniseres med andre kvantenoder, er den beste utnyttelsen av maskinvaren å få den til å arbeide med flere oppgaver parallelt.
Hvis ikke, vil den ekstra beregningskraften fra nettverkene bli oppveid av en svært lav utnyttelsesgrad av den dyre maskinvaren.
Dermed må et funksjonelt kvante‑OS kunne ikke bare planlegge ett sett med beregninger, men håndtere mange programmer parallelt, inkludert prosesser, kvante‑minnehåndtering og entanglement‑forespørsler.
Kilde: Nature
Fremtidige anvendelser
Ved å tilby et felles programvarelag som er kompatibelt med ulike kvantedatabehandlingsmaskinvare, er QNodeOS et viktig første skritt i utvidelsen av kvantedatabehandling fra laboratorier til praktiske anvendelser.
Sammen med SDK (software development kit) fra kvantedatabehandlingsfirmaer vil dette sannsynligvis danne grunnlaget for de første utvikler‑vennlige kvanteappene. Dette vil igjen bidra til å generalisere bruken av kvantedatabehandling utover en liten gruppe spesialister, til alle analytikere og forskere som er interessert i å utnytte denne svært spesielle formen for beregning i sitt arbeid.
Investere i kvantedatabehandling
IonQ
(IONQ )
IonQ er et kvantedatabehandlingsselskap som bruker fanget‑ion‑teknologi, grunnlagt av pionerforskere innen feltet fra University of Maryland og Duke University. Selskapet ble børsnotert på NYSE i 2021.
IonQs kvantedatabehandlingsplattformer kan levere resultater med 99,9 % pålitelighet. De bruker for tiden en kjede med 64 barium‑ioner, som produserer en 36‑algoritmisk qubit (AQ).
Kjedeorganiseringen gjør at beregningene blir mye raskere enn andre fanget‑ion‑design uten å miste pålitelighet. Dette kommer i tillegg til at fanget‑ion er den klart mest pålitelige designen av kvantedatamaskiner.
Kilde: IonQ
IonQ kjøpte opp Qubitekk i januar 2025, og la til selskapets team og 118 patenter i IonQ. Qubitekk er spesialisert på kvantenettverk, bruker fotoniske interkonnektorer, muliggjør kvanteklynger og fremmer kvanteinternett‑kapasiteter.
Kvantenettverk bør legge til rette for svært sikre kommunikasjoner og til slutt muliggjøre distribuert kvantedatabehandling. Med tanke på hvor raskt feltet utvikler seg, kan ekspertise og immaterielle rettigheter på dette området vise seg avgjørende for IonQs fremtid.
IonQ utvikler et partnerskap med NKT Photonics (NKT.CO) for å hjelpe med å utvikle fremtidige datacenters‑klare kvantedatamaskiner.
Det samarbeider også med Imec om fotoniske integrerte kretser og chip‑skala ion‑felle‑teknologi for å øke selskapets antall qubits, systemstørrelse og kostnader.
I stedet for å utvikle sin egen SDK (Software Development Kit), støtter selskapet alle de viktigste samtidig, og inngår partnerskap med mange ledende selskaper for å utvikle nye kvantedatabehandlingsapplikasjoner.
Kilde: IonQ
IonQ er den nærmeste til en ren kvantedatabehandlingsaksje for investorer som ikke er interessert i hovedaktivitetene til andre ledere som Google, Intel, IBM eller Honeywell.
Sammen med sin konkurrent Quantinuum, en del av Honeywell (HON ), er IonQ nærmere å utvikle kommersielle kvantedatamaskiner, med fokus på høy pålitelighet og færre qubits i fanget‑ion‑systemer.
Den tidlige suksessen har hjulpet selskapet med å bygge et sterkt nettverk av partnerskap med andre kvantedatabehandlingsinnovatører for å fortsette å drive teknologien fremover, med et nylig nytt fokus på nettverks‑koblede kvantedatamaskiner, noe som bør oppmuntres ytterligere av fremveksten av verktøy som QNodeOS.
Siste om IonQ
Studierreferanse:
1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. Et operativsystem for å kjøre applikasjoner på kvantenettverksnoder. Nature 639, 321–328 (2025).
