QNodeOS: первая операционная система, которая произвела революцию в квантовых сетях

Внезапный всплеск квантовых вычислений

За последние месяцы квантовые вычисления достигли больших успехов.

Началось с Willow от Google в декабре 2024 г., возможно, первый в мире масштабируемый квантовый чип. Затем последовали новости о первые распределенные квантовые вычисления по оптической сетевой связи, что открывает путь к объединению квантовых компьютеров в сеть, как и обычных, на выделенных серверах.

Тогда это было очередь Microsoft, С его Чип Majorana 1, использующий совершенно новое состояние вещества, топопроводники.

Также стало ясно, что путь открывается для объединения в сеть нескольких квантовых компьютеров.

В то же время, с появлением более мощных и надежных чипов и более тесных взаимосвязей становится ясно, что вычислительная мощность квантовых систем очень скоро резко возрастет.

Следующая фаза квантовых вычислений

По мере решения аппаратных проблем сектор квантовых вычислений будет проходить через те же этапы, что и классические вычисления. Это означает, что мы выходим из эпохи экспериментальных устройств и сверхспециализированных, индивидуальных систем, как в 1940-х и 1950-х годах, и вступаем в стадию коммерциализации.

Это будет характеризоваться следующими моментами:

• Эпоха создания операционных мэйнфреймов, когда огромные компьютеры в основном использовались в исследовательских, оборонных или коммерческих целях.
• Новые приложения для этих новых устройств обнаруживаются практически ежедневно.
• Разработка языков программирования, операционных систем и других инструментов для более эффективного использования вычислительной мощности квантового мэйнфрейма.

Значительный шаг в этом направлении сделали исследователи из Делфтского технического университета (Нидерланды), Университета Инсбрука (Австрия), Университета Сорбонны (Франция), Высшей нормальной школы (Франция), создав квантовую операционную систему (ОС).¹.

Эта работа была опубликована в престижном журнале Nature под названием «Операционная система для выполнения приложений на узлах квантовой сети».

Этот проект был создан под Квантовый интернет-альянс (QIA) — европейская инициатива, направленная на создание прототипа сети квантового интернета.

Сделать квантовые вычисления доступными

Самые первые компьютеры программировались специалистами по электронике, которые разбирались во всех тонкостях работы электронных ламп и аппаратного обеспечения первых мэйнфреймов.

Ситуация изменилась, поскольку программирование постепенно стало самостоятельной областью, и программистам не нужно было понимать, как работает компьютер, чтобы заставить его выполнять вычисления.

Учитывая, насколько сложны квантовые вычислительные системы, вплоть до изобретения совершенно нового состояния материи в случае Майораны 1, разумно ожидать, что программистам понадобится аналогичный набор инструментов для программирования квантовых компьютеров.

Это особенно актуально, поскольку большинство приложений квантовых вычислений находятся в очень сложных науках, таких как биология, физика, материаловедение, химия, криптография и т. д. Поэтому неразумно ожидать, что ученые, которые уже находятся на вершине своей области, также станут экспертами в области квантового оборудования.

«Система подобна программному обеспечению на вашем домашнем компьютере: вам не нужно знать, как работает оборудование, чтобы им пользоваться.

По сути, устранив барьер между сетевым оборудованием и программным обеспечением, операционная система позволит разработчикам с легкостью создавать приложения, использующие широкий спектр аппаратных решений.

Мариаграция Юлиано, аспирант QuTech.

Игнорирование оборудования

Взаимосвязь квантовых компьютеров до сих пор осуществлялась на аппаратном уровне, достижение запутывания частиц с помощью сети оптоволокна и квантовой телепортации.

Чтобы быть по-настоящему полезной, квантовой сети потребуется аппаратно-независимый уровень сетевого взаимодействия, более похожий на то, как сейчас компьютеры взаимодействуют друг с другом посредством передачи сообщений.

Источник: Природа

Итак, исследователи создали QNodeOS, операционная система, предназначенная для «общения» с квантовым оборудованием и позволяющая программировать и взаимодействовать с помощью обычных сетевых методов.

«Цель нашего исследования — сделать технологию квантовых сетей доступной всем. С QNodeOS мы делаем большой шаг вперёд. Мы впервые делаем возможным лёгкое программирование и выполнение приложений в квантовой сети».

Наша работа также создает основу, открывающую совершенно новые области исследований квантовой информатики».

Профессор, доктор Стефани Венер – Профессор квантовой компьютерной науки в Делфтском техническом университете

Причина игнорирования используемого оборудования заключается также в том, что настоящий квантовый Интернет, скорее всего, будет включать в себя множество не связанных между собой технологий, так же как в современном Интернете взаимодействие осуществляется между ПК, компьютерами Mac, смартфонами, серверами и т. д.

Только путем создания промежуточного уровня абстракции, работающего со всем квантовым оборудованием, можно добиться определенного уровня единообразия и взаимодействия на длительный срок.

Исследователи протестировали свои методы, соединив два квантовых сетевых узла на основе центров азотных вакансий (NV) в алмазе. Затем они добавили дополнительный драйвер для QNodeOS для квантового сетевого узла с захваченными ионами на основе одного атома 40Ca+.

«Наши процессоры на основе захваченных ионов работают принципиально иначе, чем те, которые основаны на центрах окраски в алмазе, однако мы показали, что QNodeOS может работать с обоими из них».

Трейси Нортап – Профессор Университета Инсбрука, Австрия.

 Создание квантовой ОС

Планирование квантовых вычислений

Основной проблемой любого взаимодействия классических и квантовых вычислений в сети является разница во временных масштабах.

В сетях пинг будет измеряться миллисекундами; в то же время квантовые компьютеры имеют время обработки в микросекундах (в тысячу раз меньше) и требуют наносекундной точности для управления квантовыми вычислениями (в миллион раз меньше).

Та же проблема со сроками хранения информации актуальна и для сохранения информации в памяти, поскольку большинство квантовых систем теряют свои квантовые свойства гораздо быстрее, чем классические компьютеры.

По этой причине квантовая ОС должна очень точно планировать, когда квантовые компьютеры будут инициировать запутывание в каждом узле сети.

В конечном итоге это означает, что выполнение локальных квантовых операций будет зависеть от расписания сети.

Хотя концепция относительно проста, ее практическая реализация не представляет никакой сложности.

Источник: Природа

Многозадачность квантовых вычислений

Поскольку отдельный квантовый чип большую часть времени будет простаивать, ожидая сетевой пинг для синхронизации с другими квантовыми узлами, наилучшим вариантом использования оборудования будет заставить его выполнять несколько задач параллельно.

В противном случае дополнительная вычислительная мощность от работы в сети будет компенсирована очень низким уровнем использования дорогостоящего оборудования.

Таким образом, функциональная квантовая ОС должна уметь не только планировать один набор вычислений, но и обрабатывать множество программ параллельно, включая процессы, управление квантовой памятью и запросы на запутывание.

Источник: Природа

Будущие приложения

Предоставляя общий программный уровень, совместимый с различным оборудованием квантовых вычислений, QNodeOS является важным первым шагом на пути расширения квантовых вычислений от лабораторных исследований до практических приложений.

Вместе с SDK (комплект для разработки программного обеспечения) от компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, это, вероятно, станет основой первых квантовых приложений, удобных для разработчиков. Это, в свою очередь, должно помочь распространить использование квантовых вычислений за пределы узкой группы специалистов, на всех аналитиков и исследователей, заинтересованных в использовании этой особой формы вычислений в своей работе.

Инвестиции в квантовые технологии Вычисление

ИонКью

IonQ — это компания квантовых вычислений, использующая технологию захваченных ионов, основанная пионерами в этой области из Мэрилендского университета и Университета Дьюка. Она была публично размещена на NYSE в 2021 году.

Платформы квантовых вычислений IonQ способны выдавать результат с точностью 99.9%. В настоящее время они используют 64-бариевую ионную цепь, производящую 36-алгоритмический кубит (AQ).

Цепная организация позволяет производить вычисления гораздо быстрее, чем другие конструкции с захваченными ионами, не теряя точности. Это идет в дополнение к тому, что захваченные ионами являются самой надежной конструкцией квантовых компьютеров.

Источник: ИонКью

IonQ приобрела Qubitekk в январе 2025 года., присоединив к своей деятельности команду и 118 патентов компании IonQ. Qubitekk специализируется на квантовых сетях, использовании фотонных межсоединений, создании квантовых кластеров и развитии возможностей квантового интернета.

Квантовые сети должны способствовать высокозащищенным коммуникациям и в конечном итоге позволять распределенные квантовые вычисления. Учитывая, как быстро развивается эта область, экспертиза и IP по этой теме могут оказаться решающими для будущего IonQ.

IonQ развивает партнерство с НКТ Фотоника (NKT.CO) для содействия разработке будущих квантовых компьютеров, готовых к использованию в центрах обработки данных.

Он также сотрудничает с Imec. на фотонных интегральных схемах и технологии ионных ловушек в масштабе кристалла для увеличения количества кубитов компании, а также размера и стоимости системы.

Вместо разработки собственного SDK (комплекта средств разработки программного обеспечения) компания поддерживает все основные из них одновременно и сотрудничает со многими ведущими компаниями для разработки новых приложений для квантовых вычислений.

Источник: ИонКью

IonQ — это наиболее близкая к чистым квантовым вычислениям акция для инвесторов, которых не интересует основная деятельность других лидеров, таких как Google, Intel, IBM или Honeywell.

Поэтому вместе со своим конкурентом Quantinuum, частью Honeywell (HON )Компания IonQ приближается к разработке коммерческих квантовых компьютеров, уделяя особое внимание высокоточным системам с захваченными ионами и меньшим числом кубитов.

Его ранний успех помог ему создать прочную сеть партнерских отношений с другими новаторами в области квантовых вычислений, чтобы продолжать развивать эту технологию, а недавнее внимание было вновь сосредоточено на сетевых квантовых компьютерах, чему должно способствовать появление таких инструментов, как QNodeOS.

Последние новости от IonQ

Ссылка на исследование:

^{1. Делле Донн, К., Юлиано, М., ван дер Вехт, Б. и др. Операционная система для выполнения приложений на узлах квантовой сети. Природа 639. С. 321–328 (2025).}