QNodeOS: Erstes Betriebssystem revolutioniert die Quantenvernetzung

Der plötzliche Aufstieg des Quantencomputings

Das Quantencomputing hat in den letzten Monaten große Fortschritte gemacht.

Es begann mit Googles Willow im Dezember 2024, vielleicht der erste skalierbare Quantenchip überhaupt. Dann folgte die Nachricht von das erste verteilte Quantencomputing über eine optische Netzwerkverbindung, wodurch der Weg für Quantencomputer geebnet wird, die wie normale Computer in dedizierten Servern vernetzt werden.

Dann war es Microsoft ist an der ReiheMit seinen Majorana-1-Chip nutzt einen völlig neuen Materiezustand, Topoleiter.

Es wurde auch klar, dass sich der Weg öffnete zur Vernetzung mehrerer Quantencomputer.

Gleichzeitig werden die Chips leistungsfähiger und zuverlässiger und die Vernetzung wird immer besser. Daher ist klar, dass die Rechenkapazität von Quantensystemen schon bald explodieren wird.

Die nächste Phase des Quantencomputings

Mit der Lösung der Hardwareprobleme wird der Quantencomputersektor ähnliche Phasen durchlaufen wie die klassische Informatik. Das bedeutet, dass wir die Ära experimenteller Geräte und hochspezialisierter, maßgeschneiderter Systeme wie in den 1940er und 1950er Jahren hinter uns lassen und in die Phase der Kommerzialisierung eintreten.

Dies wäre sofort gekennzeichnet durch:

• Eine Ära des Baus betriebsbereiter Großrechner mit riesigen Computern, die hauptsächlich für Forschungs-, Verteidigungs- oder Geschäftszwecke eingesetzt werden.
• Fast täglich werden neue Anwendungen für diese neuen Geräte entdeckt.
• Die Entwicklung von Programmiersprachen, Betriebssystemen und anderen Tools, um die Rechenleistung des Quanten-Mainframes besser zu nutzen.

Einen wichtigen Schritt in diese Richtung haben Forscher der Technischen Universität Delft (Niederlande), der Universität Innsbruck (Österreich), der Sorbonne Université (Frankreich) und der Ecole Normale Supérieure (Frankreich) mit der Entwicklung eines Quantenbetriebssystems (OS) unternommen.¹.

Diese Arbeit wurde in der renommierten Zeitschrift Nature unter dem Titel „Ein Betriebssystem zur Ausführung von Anwendungen auf Quantennetzwerkknoten".

Dieses Projekt entstand unter der Quanten-Internet-Allianz (QIA), eine europäische Initiative, die den Prototyp eines Quanteninternet-Netzwerks schaffen möchte.

Quantencomputing zugänglich machen

Die allerersten Computer wurden von Elektronikspezialisten programmiert, die sich mit den komplexen Zusammenhängen von Vakuumröhren und der Hardware der ersten Großrechner auskannten.

Dies änderte sich, und die Programmierung entwickelte sich zunehmend zu einem eigenständigen Fachgebiet, in dem die Programmierer nicht mehr verstehen müssen, wie der Computer funktioniert, um Berechnungen durchführen zu können.

Wenn man bedenkt, wie komplex Quantencomputersysteme sind – bis hin zur Erfindung eines völlig neuen Materiezustands im Fall von Majorana 1 –, kann man vernünftigerweise davon ausgehen, dass Programmierer für die Programmierung von Quantencomputern einen ähnlichen Satz an Werkzeugen benötigen.

Dies gilt insbesondere deshalb, weil die meisten Anwendungen des Quantencomputings in sehr komplexen Wissenschaften wie Biologie, Physik, Materialwissenschaften, Chemie, Kryptografie usw. liegen. Daher ist es unvernünftig, von Wissenschaftlern, die bereits an der Spitze ihres Fachgebiets bleiben müssen, zu erwarten, dass sie auch zu Experten für Quantenhardware werden.

„Das System ist wie die Software auf Ihrem Computer zu Hause: Sie müssen nicht wissen, wie die Hardware funktioniert, um es zu verwenden.

Indem das Betriebssystem im Wesentlichen die Barriere zwischen Netzwerk-Hardware und -Software beseitigt, können Entwickler problemlos Anwendungen für ein breites Spektrum an Hardwarelösungen erstellen.

Mariagrazia Iuliano, Doktorandin bei QuTech.

Hardware ignorieren

Die Vernetzung von Quantencomputern erfolgte bisher auf Hardware-Ebene, Erreichen der Teilchenverschränkung durch ein Netzwerk aus Glasfasern und Quantenteleportation.

Um wirklich nützlich zu sein, benötigt ein Quantennetzwerk eine hardwareunabhängige Vernetzungsebene, die eher der Art und Weise ähnelt, wie Computer derzeit bei der Nachrichtenübertragung miteinander interagieren.

Quelle: Nature

So schufen die Forscher QNodeOS, ein Betriebssystem, das speziell für die „Kommunikation“ mit der Quantenhardware konzipiert ist und die Programmierung und Interaktion über normale Netzwerkmethoden ermöglicht.

„Ziel unserer Forschung ist es, Quantennetzwerktechnologie allen zugänglich zu machen. Mit QNodeOS machen wir einen großen Schritt nach vorne. Wir ermöglichen es erstmals, Anwendungen einfach in einem Quantennetzwerk zu programmieren und auszuführen.“

Unsere Arbeit schafft außerdem einen Rahmen, der völlig neue Bereiche der Quanteninformatikforschung eröffnet.“

Stephanie Wehner - Professor für Quanteninformatik an der TU Delft

Der Grund dafür, dass die verwendete Hardware ignoriert wird, liegt auch darin, dass ein echtes Quanteninternet wahrscheinlich viele unabhängige Technologien umfassen wird, so wie es im aktuellen Internet eine Interaktion zwischen PCs, Macs, Smartphones, Servern usw. gibt.

Nur durch die Schaffung einer Zwischenabstraktionsebene, die mit der gesamten Quantenhardware funktioniert, kann ein gewisses Maß an Einheitlichkeit und Interaktion dauerhaft erreicht werden.

Die Forscher testeten ihre Methoden, indem sie zwei Quantennetzwerkknoten auf Basis von Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV) in Diamanten verbanden. Anschließend fügten sie einen zusätzlichen Treiber für QNodeOS für einen Quantennetzwerkknoten mit gefangenen Ionen hinzu, der auf einem einzelnen 40Ca+-Atom basiert.

„Unsere Ionenfallenprozessoren funktionieren grundsätzlich anders als jene, die auf Farbzentren in Diamanten basieren, dennoch haben wir gezeigt, dass QNodeOS mit beiden funktionieren kann.“

Tracy Northup - Professor an der Universität Innsbruck, Österreich.

 Erstellen eines Quantenbetriebssystems

Planung der Quantenberechnung

Ein großes Problem bei jeder Interaktion zwischen klassischem und Quantencomputing in einem Netzwerk ist der Unterschied in den Zeitskalen.

Netzwerke werden Pings im Millisekundenbereich haben; Quantencomputer hingegen verfügen über Verarbeitungszeiten im Mikrosekundenbereich (tausendmal kürzer) und erfordern für die Steuerung der Quantenberechnung eine Präzision im Nanosekundenbereich (eine Million Mal kürzer).

Dasselbe Zeitrahmenproblem besteht hinsichtlich der Speichererhaltung, da die meisten Quantensysteme ihre Quanteneigenschaften viel schneller verlieren als klassische Computer.

Aus diesem Grund muss ein Quantenbetriebssystem sehr genau planen, wann die Quantencomputer in jedem Knoten des Netzwerks eine Verschränkung auslösen.

Letztendlich bedeutet dies, dass die Ausführung lokaler Quantenoperationen vom Netzwerkplan abhängt.

Obwohl das Konzept relativ einfach ist, gestaltet sich die praktische Umsetzung alles andere als einfach.

Quelle: Nature

Multitasking-Quantenberechnung

Da ein einzelner Quantenchip die meiste Zeit im Leerlauf bleiben muss und auf den Netzwerk-Ping zur Synchronisierung mit anderen Quantenknoten warten muss, besteht die beste Nutzung der Hardware darin, sie mehrere Aufgaben parallel ausführen zu lassen.

Andernfalls wird die zusätzliche Rechenleistung durch die Vernetzung durch eine sehr geringe Auslastung der teuren Hardware kompensiert.

Ein funktionales Quantenbetriebssystem muss also nicht nur in der Lage sein, einen Satz von Berechnungen zu planen, sondern auch viele Programme parallel zu verarbeiten, darunter Prozesse, Quantenspeicherverwaltung und Verschränkungsanforderungen.

Quelle: Nature

Zukünftige Anwendungen

Durch die Bereitstellung einer gemeinsamen Softwareschicht, die mit unterschiedlicher Quantencomputer-Hardware kompatibel ist, ist QNodeOS ein wichtiger erster Schritt bei der Ausweitung des Quantencomputers von Laboren auf praktische Anwendungen.

Zusammen mit SDKs (Software Development Kits) von Quantencomputer-Unternehmen dürfte dies die Grundlage für die ersten entwicklerfreundlichen Quanten-Apps bilden. Dies wiederum dürfte dazu beitragen, die Nutzung von Quantencomputing über eine kleine Gruppe von Spezialisten hinaus auf alle Analysten und Forscher auszuweiten, die diese ganz besondere Form des Computings für ihre Arbeit nutzen möchten.

In Quanten investieren Informatik

IonQ

IonQ ist ein Quantencomputer-Unternehmen, das die Technologie der Ionenfalle nutzt. Es wurde von Pionierwissenschaftlern der University of Maryland und der Duke University gegründet. Das Unternehmen wurde 2021 an der New Yorker Börse notiert.

IonQ-Quantencomputerplattformen können Ergebnisse mit einer Genauigkeit von 99.9 % erzielen. Derzeit wird eine 64-Barium-Ionenkette verwendet, die ein 36-algorithmisches Qubit (AQ) erzeugt.

Die Kettenorganisation ermöglicht deutlich schnellere Rechenleistungen als andere Trapped-Ion-Designs, ohne dabei an Genauigkeit einzubüßen. Hinzu kommt, dass Trapped-Ion das mit Abstand zuverlässigste Design für Quantencomputer ist.

Quelle: IonQ

IonQ hat Qubitekk im Januar 2025 übernommenund erweiterte seine Geschäftstätigkeit um das Team des Unternehmens und 118 Patente für IonQ. Qubitekk ist auf Quantennetzwerke spezialisiert, die photonische Verbindungen nutzen, Quantencluster ermöglichen und die Fähigkeiten des Quanteninternets weiterentwickeln.

Quantennetzwerke sollten hochsichere Kommunikation ermöglichen und letztlich verteiltes Quantencomputing ermöglichen. Angesichts der rasanten Entwicklung dieses Bereichs könnten sich Fachwissen und geistiges Eigentum zu diesem Thema für die Zukunft von IonQ als entscheidend erweisen.

IonQ entwickelt eine Partnerschaft mit NKT Photonik (NKT.CO), um die Entwicklung zukünftiger rechenzentrumstauglicher Quantencomputer zu unterstützen.

Es arbeitet auch mit Imec zusammen an photonischen integrierten Schaltkreisen und Chip-Scale-Ionenfallen-Technologie, um die Qubit-Anzahl sowie die Systemgröße und -kosten des Unternehmens zu steigern.

Anstatt ein eigenes SDK (Software Development Kit) zu entwickeln, unterstützt das Unternehmen alle wichtigen SDKs gleichzeitig und arbeitet mit vielen führenden Unternehmen zusammen, um neue Anwendungen für den Quantencomputer zu entwickeln.

Quelle: IonQ

IonQ kommt einer reinen Quantencomputer-Aktie am nächsten und eignet sich für Anleger, die sich nicht für die Hauptaktivitäten anderer führender Unternehmen wie Google, Intel, IBM oder Honeywell interessieren.

Zusammen mit seinem Konkurrenten Quantinuum, Teil von Honeywell (HON )Ab sofort ist IonQ der Entwicklung kommerzieller Quantencomputer einen Schritt näher gekommen, wobei der Schwerpunkt auf hochpräzisen Ionenfallensystemen mit geringerer Qubit-Anzahl liegt.

Der frühe Erfolg hat dazu beigetragen, ein starkes Netzwerk von Partnerschaften mit anderen Quantencomputer-Innovatoren aufzubauen, um diese Technologie weiter voranzutreiben. Der Fokus liegt dabei seit kurzem auf vernetzten Quantencomputern, was durch die Entstehung von Tools wie QNodeOS weiter gefördert werden sollte.

Aktuelles zu IonQ

Studienreferenz:

^{1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. Ein Betriebssystem zum Ausführen von Anwendungen auf Quantennetzwerkknoten. Nature 639, 321 & ndash; 328 (2025).}