Datorer
QNodeOS: Första operativsystemet revolutionerar kvantnätverk
Den plötsliga ökningen av kvantdatorer
Quantum computing has been making strides these last months.
Det började med Googles Willow i december 2024, kanske den första någonsin skalbara kvantchipen. Därefter följde nyheten om den första distribuerade kvantberäkningen över en optisk nätverkslänk, vilket öppnade vägen för att kvantdatorer kan nätverkas som vanliga datorer i dedikerade servrar.
Then it was Microsofts tur, med deras Majorana 1-chip som använder ett helt nytt materietillstånd, topokonduktorer.
Det blev också tydligt att vägen öppnas för att nätverka flera kvantdatorer tillsammans.
Samtidigt med mer kraftfulla och pålitliga chip samt ökad interkonnektion är det tydligt att beräkningskapaciteten för kvantsystem kommer att explodera mycket snart.
Den nästa fasen av kvantdatorer
När hårdvaruproblemen blir lösta kommer kvantdatorsektorn att gå igenom liknande stadier som den klassiska databehandlingen gjorde. Detta innebär att vi lämnar experimentella enheter och ultra‑specialiserade, skräddarsydda system från 1940‑ och 1950‑talen och går in i kommersialiseringsfasen.
Detta skulle omedelbart kännetecknas av:
- En era av operativa stordatorer som byggs, med massiva datorer som främst används för forskning, försvar eller affärssyften.
- Nya tillämpningar för dessa nya enheter upptäcks nästan dagligen.
- Utvecklingen av programmeringsspråk, operativsystem och andra verktyg för att bättre utnyttja beräkningskraften i kvantstordatorn.
Ett gediget steg i den riktningen har tagits av forskare vid Delft University of Technology (Nederländerna), Universität Innsbruck (Österrike), Sorbonne Université (Frankrike), Ecole Normale Supérieure (Frankrike), med skapandet av ett kvantoperativsystem (OS)1.
Detta arbete publicerades i den prestigefyllda tidskriften Nature, under titeln “Ett operativsystem för att köra applikationer på kvantnätverksnoder”.
Detta projekt skapades under Quantum Internet Alliance (QIA), ett europeiskt initiativ som syftar till att skapa ett prototypkvantinternetnätverk.
Göra kvantdatorer tillgängliga
De allra första datorerna programmerades av elektronikspecialister som förstod de komplexa detaljerna i vakuumrör och hårdvaran i de första stordatorerna.
Det förändrades när programmering successivt blev ett självständigt område, där programmerare inte längre behövde förstå hur datorn fungerar för att få den att utföra beräkningar.
Med tanke på hur komplexa kvantdatorsystem är, upp till att ha uppfunnit ett helt nytt materietillstånd i fallet med Majorana 1, är det rimligt att förvänta sig att programmerare kommer att behöva ett liknande verktygssats för att hantera programmering av kvantdatorer.
Detta är särskilt sant eftersom de flesta tillämpningar av kvantdatorer finns inom mycket komplexa vetenskaper som biologi, fysik, materialvetenskap, kemi, kryptografi osv. Så det är orimligt att förvänta sig att forskare som redan måste ligga i framkant inom sitt område också ska bli experter på kvant‑hardware.
“Systemet är som mjukvaran på din hemmadator: du behöver inte veta hur hårdvaran fungerar för att använda den.
Genom att i princip ta bort barriären mellan nätverkshårdvara och mjukvara kommer operativsystemet att låta utvecklare skapa applikationer enkelt och över ett brett spektrum av hårdvarulösningar.
Ignorera hårdvara
Kopplingen av kvantdatorer har hittills skett på hårdvarunivå, uppnår partikelentanglement genom ett nätverk av optisk fiber och kvantteleportering.
För att vara riktigt användbart måste ett kvantnätverk ha en hårdvaruoberoende nätverksnivå, mer likt hur datorer idag interagerar med varandra via meddelandeöverföringar.
Källa: Nature
Så forskarna skapade QNodeOS, ett operativsystem dedikerat till att ”prata” med kvant‑hardware och göra det möjligt att programmera och interagera via vanliga nätverksmetoder.
“Målet med vår forskning är att föra kvantnätverksteknik till alla. Med QNodeOS tar vi ett stort steg framåt. Vi gör det möjligt – för första gången – att enkelt programmera och köra applikationer på ett kvantnätverk.
Vårt arbete skapar också ett ramverk som öppnar helt nya områden inom kvantdatorvetenskaplig forskning.”
Prof. Dr. Stephanie Wehner – Professor i kvantdatorvetenskap vid TU Delft’s
Anledningen till att ignorera vilken hårdvara som används är också att ett riktigt kvant‑Internet sannolikt kommer att inkludera många orelaterade teknologier, på samma sätt som dagens Internet har interaktion mellan PC‑datorer, Mac‑datorer, smartphones, servrar osv.
Endast genom att skapa ett mellanskikt av abstraktion som fungerar med all kvant‑hardware kan en viss nivå av enhetlighet och interaktioner uppnås på ett hållbart sätt.
Forskarnas testade sina metoder genom att ansluta två kvantnätverksnoder baserade på kväve‑vakans (NV)‑centra i diamant. De lade sedan till en extra drivrutin för QNodeOS för en fångad‑jon‑kvantnätverksnod baserad på en enda 40Ca+‑atom.
“Våra fångade‑jon‑processorer fungerar fundamentalt annorlunda än de som är baserade på färgcentra i diamant, men vi har visat att QNodeOS kan fungera med båda.”
Tracy Northup – Professor vid University of Innsbruck, Austria.
Bygga ett kvant‑OS
Planering av kvantberäkningar
Ett stort problem för all interaktion mellan klassisk och kvantberäkning i ett nätverk är skillnaden i tidsskala.
Nätverk har ping i millisekunder; samtidigt har kvantdatorer bearbetningstid i mikrosekunder (tusen gånger kortare) och kräver nanosekundsprecision för styrning av kvantberäkningen (en miljon gånger kortare).
Samma tidsramproblem gäller minnesretention, eftersom de flesta kvantsystem förlorar sina kvantegenskaper mycket snabbare än klassiska datorer.
Av den anledningen måste ett kvant‑OS schemalägga mycket exakt när kvantdatorerna ska initiera entanglement i varje nod i nätverket.
I slutändan betyder detta att exekveringen av lokala kvantoperationer kommer att bero på nätverksschemat.
Även om konceptet är relativt enkelt är dess praktiska implementering långt ifrån lätt.
Källa: Nature
Multitasking av kvantberäkningar
Eftersom en enskild kvantchip måste vara inaktiv större delen av tiden, väntande på nätverkets ping för att synkronisera med andra kvantnoder, är det bästa sättet att utnyttja hårdvaran att låta den arbeta med flera uppgifter parallellt.
Om inte, kommer den extra beräkningskraften från nätverkandet att kompenseras av en mycket låg utnyttjandegrad av den dyra hårdvaran.
Alltså måste ett funktionellt kvant‑OS kunna inte bara schemalägga en uppsättning beräkningar utan även hantera många program parallellt, inklusive processer, kvantminneshantering och entanglement‑förfrågningar.
Källa: Nature
Framtida tillämpningar
Genom att erbjuda ett gemensamt mjukvarulager som är kompatibelt med olika kvantdatorhårdvara är QNodeOS ett viktigt första steg i expansionen av kvantdatorer från laboratorier till praktiska tillämpningar.
Tillsammans med SDK (software development kit) från kvantdatorföretag kommer detta sannolikt att bli grunden för de första utvecklarvänliga kvantapparna. Detta bör i sin tur hjälpa till att generalisera användningen av kvantdatorer bortom en snäv grupp av specialister, till alla analytiker och forskare som är intresserade av att utnyttja denna mycket speciella form av beräkning i sitt arbete.
Investera i kvantberäkning
IonQ
(IONQ )
IonQ är ett kvantdatorföretag som använder fångad‑jon‑teknik, grundat av banbrytande forskare inom området från University of Maryland och Duke University. Företaget börsnoterades på NYSE år 2021.
IonQs kvantdatorplattformar kan leverera resultat med 99,9 % felfrihet. De använder för närvarande en kedja med 64 barium‑joner, vilket ger 36 algoritmiska qubits (AQ).
Kedjeorganisationen möjliggör mycket snabbare beräkningar än andra fångad‑jon‑designer utan att förlora felfrihet. Detta kommer dessutom på toppen av att fångad‑jon är den mest pålitliga designen av kvantdatorer.
Källa: IonQ
IonQ förvärvade Qubitekk i januari 2025, vilket lade till företagets team och 118 patent till IonQ. Qubitekk:s specialitet är kvantnätverk, med fotoniska interkonnektioner, möjliggörande av kvantkluster och främjande av kvantinternets kapacitet.
Kvantnätverk bör underlätta högsäker kommunikation och i slutändan möjliggöra distribuerad kvantberäkning. Med tanke på hur snabbt området utvecklas kan expertis och immateriella rättigheter inom detta ämne bli avgörande för IonQs framtid.
IonQ utvecklar ett partnerskap med NKT Photonics (NKT.CO) för att hjälpa till att utveckla framtida datacenterklara kvantdatorer.
Det samarbetar också med Imec om fotoniska integrerade kretsar och chip‑skala jon‑fångsteknik för att skala upp företagets antal qubits samt systemstorlek och kostnader.
Istället för att utveckla sitt eget SDK (Software Development Kit) stödjer företaget alla de stora samtidigt, och samarbetar med många ledande företag för att utveckla nya kvantdatorapplikationer.
Källa: IonQ
IonQ är den närmaste aktien för ren kvantdator för investerare som inte är intresserade av huvudverksamheterna hos andra ledare som Google, Intel, IBM eller Honeywell.
Så tillsammans med sin konkurrent Quantinuum, en del av Honeywell (HON ), är IonQ närmare att utveckla kommersiella kvantdatorer, med fokus på hög felfrihet och färre qubits i fångad‑jon‑system.
Dess tidiga framgång har hjälpt företaget att bygga ett starkt nätverk av partnerskap med andra kvantdatorinnovatörer för att fortsätta driva tekniken framåt, med ett nyligt återfokus på nätverkade kvantdatorer, något som bör uppmuntras ytterligare av framväxten av verktyg som QNodeOS
Senaste om IonQ
Studierreferens:
1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. Ett operativsystem för att köra applikationer på kvantnätverksnoder. Nature 639, 321–328 (2025).
