QuTech ontwikkelt eerste besturingssysteem voor kwantumnetwerken

De praktische toepasbaarheid van kwantumnetwerken is een stap dichterbij.  Dit dankzij onderzoek van QuTech, de Universiteit van Innsbruck, het Inria, en het CNRS waarin het eerste besturingssysteem voor kwantumnetwerken is ontwikkeld: QNodeOS.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.

“Met QNodeOS maken we het mogelijk – voor het eerst – om eenvoudig applicaties op een kwantumnetwerk te programmeren en uit te voeren,” zegt Stephanie Wehner, hoogleraar kwantumcomputertechnologie aan QuTech. “Het is bovendien een instrument waarmee we volledig nieuwe onderzoeksgebieden voor kwantumcomputertechnologie openen.” 

Eenvoudig programma’s schrijven

“Het systeem 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. Hierdoor kunnen ontwikkelaars gemakkelijk applicaties creëren – en dat voor een breed spectrum van hardware-oplossingen. Dit opent de weg voor de ontwikkeling van software die kwantumnetwerktechnologie dichter bij de samenleving kan brengen. 

Een volledig programmeerbaar besturingssysteem 

QNodeOS is een volledig programmeerbaar besturingssysteem voor kwantumnetwerken, 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 kwantumprocessoren in een netwerk aan te sturen, ongeacht het gebruikte hardwareplatform. “Met zo’n architectuur, die nog nooit eerder voor kwantumnetwerken werd ontworpen, kunnen ontwikkelaars zich concentreren op hun code in plaats van de details van de hardware,” zegt Bart van der Vecht, promovendus bij QuTech. “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 

Kwantumnetwerkapplicaties verschillen van software voor kwantumcomputers, waardoor de onderzoekers unieke en specifieke uitdagingen moesten overwinnen. Waar kwantumcomputers in principe slechts één programma op één computer hoeven te draaien, vereisen netwerkapplicaties dat afzonderlijke programma’s, onafhankelijk van elkaar, op verschillende netwerkknooppunten – ‘nodes’ – worden uitgevoerd.

Bij een kwantumnetwerk moeten de nodes bovendien met elkaar coördineren door middel van kwantumverstrengeling, het type verbinding dat kwantumnetwerken bijzonder maakt. QNodeOS biedt een oplossing voor de unieke technische uitdagingen van deze kwantumnetwerken. 

Diverse typen kwantumhardware

De onderzoekers hebben bovendien kunnen aantonen dat QNodeOS kan werken op diverse typen kwantumhardware. Ze deden dit door het besturingssysteem een verbinding te laten verzorgen tussen twee zeer verschillende soorten kwantumprocessoren. 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 kwantumnetwerken 

Voor de ontwikkeling van QNodeOS werkten experts uit de fysica, informatica en techniek samen. Vooralsnog is het besturingssysteem een middel voor toekomstig onderzoek en experimenten. Als volgende stap wil QIA breed toegang geven tot 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 kwantuminternet. Dit zal een veel breder publiek in staat stellen om te experimenteren en te innoveren, en software voor kwantumnetwerken te schrijven, wat zal bijdragen aan een versnelde evolutie van het vakgebied.