Forscher der Quantum Internet Alliance (QIA) an der TU Delft, QuTech, der Universität Innsbruck, INRIA und CNRS gaben kürzlich die Entwicklung des ersten für Quantennetzwerke konzipierten Betriebssystems bekannt: QNodeOS 🚀. Die Forschung, veröffentlicht in Nature, stellt einen großen Schritt vorwärts bei der Umwandlung von Quantennetzwerken von einem theoretischen Konzept in eine praktische Technologie dar, die die Zukunft des Internets revolutionieren könnte 🌐.

„Ziel unserer Forschung ist es, Quantennetzwerktechnologie für jedermann zugänglich zu machen. Mit QNodeOS machen wir einen großen Schritt nach vorne. Erstmals ist es möglich, Anwendungen einfach in einem Quantennetzwerk zu programmieren und auszuführen“, erklärt Prof. Dr. Stephanie Wehner, Professorin für Quantencomputing am QuTech Institute for Quantum Technology der TU Delft, die die Studie leitete. „Unsere Arbeit schafft zudem einen Rahmen, der neue Forschungsbereiche im Quantencomputing eröffnet.“ 💡

Barrieren für Entwickler beseitigen 👩‍💻👨‍💻

Die Möglichkeit, klassische Hardware wie Laptops und Mobiltelefone einfach zu programmieren, hat unsere Welt verändert und die Erstellung einer großen Vielfalt von Anwendungen ermöglicht. „Das System funktioniert wie die Software auf Ihrem Heimcomputer: Sie müssen nicht wissen, wie die Hardware funktioniert, um es zu verwenden“, sagt Mariagrazia Iuliano, Doktorandin bei QuTech.

Durch die Beseitigung der Barriere zwischen Netzwerk-Hardware und -Software ermöglicht das Betriebssystem Entwicklern die einfache Erstellung von Anwendungen, die mit einer großen Bandbreite an Hardware kompatibel sind, und ebnet so den Weg für die Quantennetzwerktechnologie in der Gesellschaft.

Ein vollständig programmierbares Betriebssystem 💻✨

Das Quantennetzwerk-Betriebssystem, bekannt als QNodeOS, ist vollständig programmierbar, was bedeutet, dass Anwendungen auf einem hohen Niveau ausgeführt werden können, ähnlich denen auf herkömmlichen Betriebssystemen wie Windows oder Android. Im Gegensatz zu früheren Systemen, bei denen für jeden Versuchsaufbau ein spezifischer Code programmiert werden musste, erleichtert QNodeOS die Verwaltung vernetzter Quantenprozessoren unabhängig von der verwendeten Hardwareplattform.

„Diese Architektur, die noch nie zuvor für Quantennetzwerke entwickelt wurde, ermöglicht es Entwicklern, sich auf die Anwendungslogik statt auf Hardwaredetails zu konzentrieren“, erklärt Bart van der Vecht, Doktorand bei QuTech. „Dadurch wird es einfacher, neue Arten von Anwendungen zu entwickeln, von denen wir uns manche heute noch gar nicht vorstellen können.“ 🤯

Korrespondierende Autorin Stephanie Wehner und Co-Autoren Mariagrazia Iuliano, Carlo Delle Donne und Bart van der Vecht im Kontext von hochrangigem Anwendungscode, der auf Quantennetzwerk-Hardware mithilfe des QNodeOS-Stacks ausführbar ist. Bildnachweis: Studio Oostrum

Kompatibel mit mehreren Hardwaretypen 🔗

Quantennetzwerkanwendungen unterscheiden sich von denen, die auf einem Quantencomputer laufen, und stellen einzigartige Herausforderungen dar, die die Forscher bewältigen mussten. Im Gegensatz zu Quantencomputern, auf denen ein einzelnes Programm ausgeführt wird, erfordern vernetzte Quantenanwendungen, dass mehrere Programme unabhängig voneinander auf verschiedenen Knoten im Netzwerk ausgeführt werden – wie eine Client-App auf Ihrem Telefon und ein Server in der Cloud ☁️.

Diese Programme müssen durch Nachrichtenübermittlung und Quantenverschränkung koordiniert werden, eine spezielle Art der Verbindung, die Quantennetzwerke antreibt. QNodeOS löst diese einzigartigen Herausforderungen des vernetzten Quantenausführungsparadigmas.

Die Forscher zeigten, dass QNodeOS mit mehreren Arten von Quantenhardware funktionieren kann und es mit zwei sehr unterschiedlichen Arten von Quantenprozessoren verbindet. „Unsere Ionenfallenprozessoren funktionieren völlig anders als jene, die auf Diamantfarbzentren basieren, aber wir haben gezeigt, dass QNodeOS mit beiden funktionieren kann“, sagt Tracy Northup, Professorin an der Universität Innsbruck in Österreich. 💎⚛️

Die Zukunft der Quantennetzwerke 🌟

Die Entwicklung von QNodeOS brachte Experten aus Physik, Informatik und Ingenieurwissenschaften zusammen, um einen wichtigen Schritt in der Mission von QIA zu machen, ein skalierbares und nützliches Quantennetzwerk aufzubauen, das reale Anwendungen unterstützen kann. Dabei wird das Betriebssystem einen entscheidenden Rahmen für weitere Forschungen und Experimente bieten.

Im nächsten Schritt arbeitet QIA daran, einen weltweiten Zugriff auf die Software- und Hardwarekomponenten dieser Technologie zu ermöglichen. Eine Möglichkeit besteht darin, QNodeOS auf dem Quantum Network Explorer, dem Quanteninternet-Demonstrator von QuTech, zu verwenden. Dies wird einem viel breiteren Publikum die Möglichkeit geben, zu experimentieren, Innovationen zu entwickeln und Software für Quantennetzwerke zu erstellen, was die Entwicklung dieses Bereichs beschleunigt 🚀🔬.