Onderzoekers van QIA ontwikkelen eerste besturingssysteem voor quantumnetwerken

Onderzoekers van de Quantum Internet Alliance (QIA) aan TU Delft/QuTech, hebben, met de Universiteit van Innsbruck, het INRIA en het CNRS, het eerste besturingssysteem voor quantumnetwerken, QNodeOS, ontwikkeld. Hun onderzoek, gepubliceerd in Nature, betekent een belangrijke stap in de transformatie van quantumnetwerken van een theoretisch concept naar een praktische technologie die de toekomst van het internet zou kunnen revolutioneren.

“Het doel van ons onderzoek is om quantumnetwerktechnologie voor iedereen toegankelijk te maken. Met QNodeOS zetten we een grote stap vooruit. We maken het mogelijk – voor het eerst – om eenvoudig applicaties op een quantumnetwerk te programmeren en uit te voeren,” zegt Prof. Dr. Stephanie Wehner, hoogleraar Quantumcomputertechnologie aan het quantumtechnologie-onderzoeksinstituut QuTech van de TU Delft, die de studie leidde. “Het is bovendien een instrument waarmee we volledig nieuwe onderzoeksgebieden voor quantumcomputertechnologie openen.”

Drempels verlagen voor ontwikkelaars

De mogelijkheid om eenvoudig programma’s te kunnen schrijven voor klassieke computerhardware, zoals laptops of telefoons, heeft een enorme impact op onze wereld gehad. Het heeft de ontwikkeling van een breed scala aan applicaties mogelijk gemaakt. “Het systeem dat we ontwikkeld hebben is als de software op je computer thuis: je hoeft niet te weten hoe de hardware werkt om hem te gebruiken”, zegt Mariagrazia Iuliano, promovendus bij QuTech.
Door de barrière tussen netwerkhardware en -software in wezen weg te nemen, zal het besturingssysteem ontwikkelaars in staat stellen om gemakkelijk applicaties te creëren en dat voor een breed spectrum van hardware-oplossingen. Dit opent de weg voor de ontwikkeling van software die quantumnetwerktechnologie dichter bij de samenleving kan brengen.

Een volledig programmeerbaar besturingssysteem

QNodeOS is een volledig programmeerbaar besturingssysteem voor quantumnetwerken, wat betekent dat applicaties op een hoog niveau kunnen worden uitgevoerd, vergelijkbaar met de manier waarop besturingssystemen als Windows en Android dat voor klassieke computers mogelijk maken. In tegenstelling tot eerdere systemen, waarbij ontwikkelaars specifiek voor elke experimentele opstelling code moesten ontwikkelen, maakt QNodeOS het mogelijk om op eenvoudige wijze de quantumprocessoren in een netwerk aan te sturen, ongeacht het gebruikte hardwareplatform. “Met zo’n architectuur, die nog nooit eerder voor quantumnetwerken werd ontworpen, kunnen ontwikkelaars zich concentreren op hun code in plaats van de details van de hardware,” legt Bart van der Vecht, promovendus bij QuTech, uit. “Dit maakt het makkelijker om met nieuwe soorten applicaties te komen, misschien zelfs applicaties die we ons op dit moment nog niet kunnen voorstellen.”

Compatibel met meerdere soorten hardware

Quantumnetwerkapplicaties verschillen van software voor quantumcomputers, waardoor de onderzoekers unieke en specifieke uitdagingen moesten overwinnen. Waar quantumcomputers in principe slechts één programma op één computer hoeven te draaien, vereisen quantumnetwerkapplicaties dat afzonderlijke programma’s, onafhankelijk van elkaar, op verschillende netwerkknooppunten – ‘nodes’ – worden uitgevoerd. Vergelijk het met hoe de software van een app op je telefoon vaak verdeeld is tussen die telefoon en een server in de cloud.

Quantum netwerk

Bij een quantumnetwerk moeten de nodes bovendien met elkaar coördineren door middel van quantumverstrengeling, het type verbinding dat quantumnetwerken bijzonder maakt. QNodeOS biedt een oplossing voor de unieke technische uitdagingen van deze quantumnetwerken.
De onderzoekers hebben bovendien kunnen aantonen dat QNodeOS kan werken op diverse typen quantumhardware. Ze deden dit door het besturingssysteem een verbinding te laten verzorgen tussen twee zeer verschillende soorten quantumprocessoren. Tracy Northup, hoogleraar aan de Universiteit van Innsbruck, zegt hierover “Onze trapped ion-processoren hier werken fundamenteel anders dan de processoren op basis van color centers in diamant die Delft had opgesteld. Toch hebben we kunnen aantonen dat QNodeOS met beide werkte en de twee typen met elkaar kon verbinden.”

De toekomst van quantumnetwerken

Voor de ontwikkeling van QNodeOS werkten experts uit de fysica, informatica en techniek samen om een belangrijke stap te zetten in QIA’s missie om een schaalbaar en bruikbaar quantumnetwerk met praktische toepassingen te bouwen. Hier betekent het besturingssysteem een cruciaal middel voor toekomstig onderzoek en experimenten.
Als volgende stap werkt QIA eraan om breed toegang te geven tot zowel de software- als de hardwarecomponenten van de technologie. Een van de manieren om dit te doen, zal zijn door QNodeOS te gebruiken op de Quantum Network Explorer, QuTech’s demonstrator voor het quantuminternet. Dit zal een veel breder publiek in staat stellen om te experimenteren en te innoveren, en software voor quantumnetwerken te schrijven, wat zal bijdragen aan een versnelde evolutie van het vakgebied.

Bron: TU Delft

Openingsfoto: Corresponderende auteur Stephanie Wehner en co-auteurs Mariagrazia Iuliano, Carlo Delle Donne en Bart van der Vecht tegen een achtergrond van high-level applicatiecode die via de QNodeOS stack op netwerkhardware uitgevoerd kan worden. Fotocredit: Studio Oostrum voor QuTech.

Lees ook: TNO investeert in Ierse startup die Quantum System-on-Chip ontwikkelt