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QNodeOS：第一个彻底改变量子网络的操作系统
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量子计算的突然兴起
近几个月来，量子计算取得了长足进步。
它始于 谷歌将于 2024 年 XNUMX 月推出 Willow，可能是有史以来第一个可扩展的量子芯片。随后又有消息称 第一个跨光网络链路的分布式量子计算为量子计算机像普通计算机一样在专用服务器中联网开辟了道路。
那是 轮到微软了，其 Majorana 1 芯片采用全新的物质状态, 拓扑导体.
道路也变得清晰起来 用于将多台量子计算机联网.
同时，随着芯片越来越强大、越来越可靠，以及互联互通程度越来越高，量子系统的计算能力显然很快就会呈爆炸式增长。
量子计算的下一阶段
随着硬件问题的解决，量子计算领域将经历与传统计算类似的阶段。这意味着我们正在告别 1940 世纪 1950 年代和 XNUMX 年代的实验设备和超专业化、定制系统的时代，进入商业化阶段。
其特点是：
- 这是一个大型计算机运营时代，大型计算机主要用于研究、国防或商业目的。
- 几乎每天都会发现这些新设备的新应用。
- 开发编程语言、操作系统和其他工具，以更好地利用量子主机的计算能力。
荷兰代尔夫特理工大学、奥地利因斯布鲁克大学、法国索邦大学、法国高等师范学院的研究人员朝着这个方向迈出了坚实的一步，创建了量子操作系统 (OS)1.
这项研究发表在著名评论杂志《自然》上，标题为“一种在量子网络节点上执行应用程序的操作系统“。
该项目是在 量子互联网联盟 （QIA）是欧洲的一个倡议，旨在创建量子互联网原型网络。
让量子计算变得触手可及
最早的计算机是由电子专家编程的，他们了解真空管的复杂内部结构和第一台大型计算机的硬件。
这种情况发生了变化，编程逐渐成为一个独立的领域，程序员不需要了解计算机的工作原理就可以进行计算。
考虑到量子计算系统的复杂性，甚至需要在马约拉纳 1 的情况下发明一种全新的物质状态，我们可以合理地预期，程序员将需要一套类似的工具来处理量子计算机的编程。
这是尤其正确的，因为量子计算的大多数应用都是在非常复杂的科学领域，如生物学、物理学、材料科学、化学、密码学等。因此，期望已经处于其领域顶尖的科学家也成为量子硬件专家是不合理的。
“该系统就像您家里的计算机上的软件：您不需要知道硬件如何工作就可以使用它。
通过从根本上消除网络硬件和软件之间的障碍，该操作系统将允许开发人员轻松地在各种硬件解决方案上创建应用程序。
忽略硬件
量子计算机的互连迄今为止一直处于硬件层面， 通过光纤网络和量子隐形传态实现粒子纠缠.
为了真正发挥作用，量子网络需要与硬件无关的网络级别，更类似于计算机当前通过消息传输相互交互的方式。
来源: 自然
因此研究人员创造了 节点操作系统, 一种专门用于与量子硬件“对话”的操作系统，可以实现通过正常的网络方式进行编程和交互。
我们研究的目标是将量子网络技术普及到所有人。QNodeOS 的推出，让我们向前迈出了一大步。我们首次实现了在量子网络上轻松编程和执行应用程序。
我们的工作还创建了一个框架，开辟了量子计算机科学研究的全新领域。”
忽略使用什么硬件的原因还在于真正的量子互联网可能包含许多不相关的技术，就像当前的互联网与 PC、Mac、智能手机、服务器等之间的交互一样。
只有通过创建一个中间抽象层，与所有量子硬件协同工作，才能持久地实现一定程度的统一性和交互作用。
研究人员通过连接两个基于金刚石中氮空位 (NV) 中心的量子网络节点来测试他们的方法。然后，他们为基于单个 40Ca+ 原子的离子阱量子网络节点的 QNodeOS 添加了额外的驱动程序。
“我们的捕获离子处理器的工作原理与基于钻石色心的处理器根本不同，但我们已经证明 QNodeOS 可以与它们一起工作。”
构建量子操作系统
调度量子计算
网络中经典计算和量子计算之间交互的一个主要问题是时间尺度的差异。
网络的ping时间以毫秒为单位，而量子计算机的处理时间以微秒为单位（短一千倍），并且需要纳秒级的精度来控制量子计算（短一百万倍）。
同样的时间框架问题也适用于记忆保留，因为大多数量子系统比传统计算机更快地失去其量子特性。
因此，量子操作系统需要非常精确地调度量子计算机在网络每个节点中触发纠缠的时间。
最终，这意味着本地量子操作的执行将取决于网络调度。
虽然这个概念相对简单，但实际实施起来却非常容易。
来源: 自然
多任务量子计算
由于单个量子芯片大部分时间都必须处于空闲状态，等待网络 ping 与其他量子节点同步，因此硬件的最佳用途是让它并行执行多个任务。
如果不是这样，网络带来的额外计算能力将会被昂贵硬件的极低使用率所抵消。
因此，功能性的量子操作系统不仅需要能够安排一组计算，还需要能够并行处理许多程序，包括进程、量子内存管理和纠缠请求。
来源: 自然
未来的应用
QNodeOS通过提供与不同量子计算硬件兼容的通用软件层，是量子计算从实验室扩展到实际应用的重要第一步。
结合量子计算公司的 SDK（软件开发工具包），这很可能成为首批开发人员友好的量子应用程序的基础。这反过来应该有助于将量子计算的使用范围推广到一小部分专家，让所有有兴趣将这种非常特殊的计算形式应用到工作中的分析师和研究人员都能使用。
投资量子 系统总线
IonQ
(IONQ )
IonQ 是一家采用离子阱技术的量子计算公司，由马里兰大学和杜克大学该领域的先驱科学家创立。该公司于 2021 年在纽约证券交易所上市。
IonQ 量子计算平台能够产生 99.9% 保真度的结果。它目前使用 64 个钡离子链，产生 36 个算法量子比特 (AQ)。
链式结构比其他离子阱设计计算速度快得多，且保真度不受影响。此外，离子阱是迄今为止最可靠的量子计算机设计。
来源: IonQ
IonQ 于 2025 年 XNUMX 月收购了 Qubitekk，将公司团队和 118 项专利转让给 IonQ。Qubitekk 的专长在于量子网络，利用光子互连技术实现量子集群，并提升量子互联网能力。
量子网络应促进高度安全的通信，并最终实现分布式量子计算。考虑到该领域的发展速度，该领域的专业知识和 IP 可能对 IonQ 的未来至关重要。
IonQ 正在与 NKT光子学 (NKT公司) 来帮助开发未来数据中心适用的量子计算机。
它还与 Imec 合作 基于光子集成电路和芯片级离子阱技术，扩大公司的量子比特数和系统规模及成本。
该公司没有开发自己的 SDK（软件开发工具包），而是同时支持所有主要的 SDK，并与许多领先的公司合作开发新的量子计算应用程序。
来源: IonQ
对于对谷歌、英特尔、IBM 或霍尼韦尔等其他领先企业的主要活动不感兴趣的投资者来说，IonQ 是最接近纯量子计算股票的股票。
因此，该公司与竞争对手 Quantinuum（霍尼韦尔旗下子公司）一起 (HON )，IonQ 更接近开发商业量子计算机，其重点是高保真度、低量子比特数的离子阱系统。
早期的成功帮助它与其他量子计算创新者建立了强大的合作网络，以继续推动这项技术的发展，最近重新关注网络量子计算机，QNodeOS 等工具的出现应该会进一步推动这一技术的发展
IonQ 最新消息
学习参考：
1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. 等. 一种用于在量子网络节点上执行应用程序的操作系统。 自然 639，321–328（2025）。
