Οι παραδοσιακοί υπολογιστές βασίζονται σε λειτουργικά συστήματα όπως τα Windows ή το iOS για τη διαχείριση προγραμμάτων και τον συντονισμό εργασιών. Οι περισσότεροι κβαντικοί υπολογιστές από την άλλη, σχεδιάζονται και κατασκευάζονται για μια συγκεκριμένη λειτουργία, για παράδειγμα, για την εκτέλεση ενός υπολογιστικού πειράματος ή μιας προσομοίωσης. Αυτό περιορίζει τη δυνητική λειτουργικότητά τους και παρεμποδίζει τη σύνδεσή τους. Επιπλέον, διαφορετικές κβαντικές αρχιτεκτονικές, όπως τα υπεραγώγιμα qubits, τα παγιδευμένα ιόντα ή τα κέντρα κενών αζώτου, απαιτούν το δικό τους προσαρμοσμένο λογισμικό και στοίβες ελέγχου. Χωρίς ένα κοινό σύστημα, τα δυο αυτά είδη διαφορετικών μηχανών δεν θα μπορούσαν να διαμοιράζονται δεδομένα ή να συνδυάζουν την υπολογιστική τους ισχύ. Το λειτουργικό σύστημα QNodeOS στοχεύει να το αλλάξει αυτό, γιατί είναι αδιάφορο ως προς το υλικό και αρθρωτό, προσφέροντας μια ενοποιημένη, προγραμματιζόμενη πλατφόρμα που επιτρέπει σε διαφορετικά συστήματα να επικοινωνούν σε ένα κβαντικό δίκτυο.
Τον περασμένο μήνα μια ομάδα επιστημόνων από το ερευνητικό ινστιτούτο κβαντικής τεχνολογίας QuTech του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Delft, στην Ολλανδία, από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ, της Αυστρίας, από το Γαλλικό Ινστιτούτο Έρευνας στην Επιστήμη των Υπολογιστών και τον Αυτοματισμό (IRIA ) και από το Εθνικό Κέντρο Επιστημονικών Ερευνών της Γαλλίας (CNRS) δημοσίευσαν μια νέα μελέτη στο Nature που περιγράφει το QNodeOS, ως ένα λειτουργικό σύστημα για κβαντικούς υπολογιστές που λειτουργεί με όλα τα είδη μηχανών, ανεξάρτητα από τον τύπο των qubits που αυτές χρησιμοποιούν. Ένα τέτοιο λειτουργικό σύστημα θα επέτρεπε πολλαπλούς κβαντικούς υπολογιστές να συνδέονται μεταξύ τους και να ελέγχονται από την ίδια κεντρική πλατφόρμα.
Η μελέτη σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα μπροστά για τη μετατροπή της κβαντικής δικτύωσης από μια θεωρητική ιδέα σε μια πρακτική τεχνολογία που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στο Διαδίκτυο μελλοντικά.
Το QNodeOS δεν διαχειρίζεται αρχεία ούτε εκτελεί εφαρμογές με την παραδοσιακή έννοια, αλλά παίζει αντίστοιχο ρόλο στον κβαντικό τομέα. Αφαιρεί την πολυπλοκότητα των κβαντικών συσκευών που σχετίζονται με το υλικό, ώστε οι προγραμματιστές να μπορούν να γράφουν λογισμικό χωρίς να έχουν βαθιά εξοικείωση με τις ιδιορρυθμίες κάθε κβαντικής συσκευής (την υποκείμενη φυσική ή με τη διαμόρφωση του εκάστοτε υλικού). Οι προγραμματιστές μπορούν επίσης να εκτελούν εφαρμογές για κβαντικά δίκτυα όπως κάνουν για τα κλασικά κατανεμημένα συστήματα, χωρίς να χρειάζεται να γνωρίζουν τον τύπο ή τη θέση των συνδεδεμένων κβαντικών υπολογιστών
Το νέο σύστημα περιλαμβάνει δύο βασικά στοιχεία. Το ένα είναι ένα τυπικό τσιπ που χειρίζεται βασικές οδηγίες [(μια κλασική μονάδα επεξεργασίας δικτύου (CNPU)] και το άλλο είναι ένα εξειδικευμένο τσιπ που διαχειρίζεται κβαντικές εργασίες [μια μονάδα επεξεργασίας κβαντικού δικτύου (QNPU)]. Μαζί και τα δυο, συνιστούν την πλήρη πλατφόρμα QNodeOS, η οποία μπορεί να ελέγχει μια ξεχωριστή μηχανή γνωστή ως QDevice - το τμήμα όπου εκτελούνται οι πραγματικές κβαντικές λειτουργίες.
Η QDevice είναι μια τεχνολογία που εξαρτάται από το κβαντικό υλικό και είναι υπεύθυνη για την εκτέλεση κβαντικών λειτουργιών (πύλες, μετρήσεις και εμπλοκές), και απαιτείται μια QDevice για κάθε κβαντικό υπολογιστή ώστε να λειτουργεί το QNodeOS.
Το QNodeOS, το πρώτο λειτουργικό σύστημα για κβαντικά δίκτυα που απλοποιεί τον προγραμματισμό, επιτρέπει στους προγραμματιστές να επικεντρωθούν στη λογική και όχι στο υλικό, συνδέοντας διαφορετικούς κβαντικούς επεξεργαστές.
Ένα εργαλείο σύνδεσης που ονομάζεται QDriver βοηθά το σύστημα να επικοινωνεί με διαφορετικούς τύπους κβαντικού υλικού μεταφράζοντας γενικές οδηγίες σε γλώσσα που μπορεί να κατανοήσει κάθε μηχανή. Το QDriver είναι το μόνο μέρος του QNodeOS που εξαρτάται από το κβαντικό υλικό. Μεταφράζει τις ανεξάρτητες από την πλατφόρμα κβαντικές λειτουργίες από το QNodeOS σε οδηγίες που εξαρτώνται από την πλατφόρμα και αντίστροφα, επιτρέποντας έτσι στο QNodeOS να ελέγχει διαφορετικούς τύπους κβαντικών υπολογιστών. Για να γίνει αυτό δυνατό, οι ερευνητές χρησιμοποιούν ένα κοινόχρηστο σύνολο εντολών που ονομάζεται NetQASM. Αυτό επιτρέπει στις κβαντικές μηχανές να κατανοούν εντολές από το λειτουργικό σύστημα, ανεξάρτητα από τον τρόπο κατασκευής τους.
Οι επιστήμονες επέδειξαν τη λειτουργία του QNodeOS συνδέοντας διαφορετικούς κβαντικούς επεξεργαστές μεταξύ τους (με παγιδευμένα ιόντα και με επεξεργασμένα διαμάντια) και «τρέχοντας» με επιτυχία ένα πρόγραμμα σε όλες τις μηχανές, παρόμοιο με τον τρόπο που λειτουργεί το cloud computing με τους κανονικούς υπολογιστές.
Ενώ η δοκιμή απέδειξε ότι το QNodeOS μπορεί να συνδέσει διαφορετικά συστήματα, οι ερευνητές λένε ωστόσο, ότι χρειάζεται περισσότερη δουλειά. Μελλοντικά πειράματα θα περιλαμβάνουν περισσότερους κβαντικούς υπολογιστές και μεγαλύτερες αποστάσεις μεταξύ τους. Αυτό θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς λειτουργεί το σύστημα σε μεγαλύτερα και σε πιο σύνθετα δίκτυα.
Η ομάδα πρότεινε επίσης έναν τρόπο βελτίωσης της ταχύτητας. Αυτή τη στιγμή, τα δύο κύρια μέρη του QNodeOS βρίσκονται σε ξεχωριστές πλακέτες, κάτι που μπορεί να προκαλεί μικρές καθυστερήσεις. Η τοποθέτηση και των δύο στην ίδια πλακέτα θα μειώσει αυτές τις καθυστερήσεις και θα κάνει το σύστημα πιο αποτελεσματικό.
Οι ειδικοί λένε ότι το QNodeOS θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντικές ανακαλύψεις στην κατανεμημένη κβαντική υπολογιστική, όπου πολλές κβαντικές μηχανές εργάζονται σε ένα μόνο πρόβλημα ταυτόχρονα, ακόμα κι αν βρίσκονται μακριά η μία από την άλλη. Μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως βάση για ένα παγκόσμιο κβαντικό διαδίκτυο, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο τα δεδομένα κοινοποιούνται και υφίστανται επεξεργασία σε όλο τον κόσμο.
Το σύστημα χρηματοδοτήθηκε μέσω της EU Horizon 2020 Quantum Internet Alliance και έχει δοκιμαστεί σε κβαντικό υλικό σε πολλές ευρωπαϊκές τοποθεσίες που συνδέονται μέσω εμπορικής τηλεπικοινωνιακής ίνας. Η ομάδα επέδειξε κβαντική ασφαλή μετάδοση μηνυμάτων και κατανομή κβαντικής εμπλοκής, που είναι οι ακρογωνιαίοι λίθοι ενός μελλοντικού κβαντικού Διαδικτύου.
