QNodeOS: разработан универсальный язык для программирования квантовых сетей

Исследователи разработали первую архитектуру, позволяющую запускать программы для квантовых сетей в виде платформонезависимого высокоуровневого программного обеспечения. В основе лежит операционная система QNodeOS, которая обеспечивает выполнение квантовых приложений на различных аппаратных платформах, включая квантовые процессоры на основе центров азот-вакансия (NV) в алмазе и траппированных ионов. Это открывает путь к созданию универсального квантового интернета, в котором узлы смогут взаимодействовать независимо от своей физической реализации.

Разработка решает ключевую проблему современных квантовых сетей: ранее эксперименты проводились с использованием специализированного программного обеспечения, адаптированного под конкретные установки. Такие системы не могли выполнять более одной задачи и требовали от разработчиков глубоких знаний физики квантовых устройств. Новая архитектура позволяет запускать разнообразные программы без привязки к конкретному оборудованию и использовать ресурсы квантовых сетей более эффективно, поддерживая многозадачность.

Как работает QNodeOS?

QNodeOS использует трёхуровневую модель управления, состоящую из классического сетевого процессора (CNPU), квантового сетевого процессора (QNPU) и физического квантового устройства (QDevice). CNPU отвечает за управление программами и классические вычисления, QNPU управляет выполнением квантовых инструкций и обработкой квантовой информации, а QDevice выполняет низкоуровневые квантовые операции, такие как генерация запутанных состояний и измерения.

Главной особенностью архитектуры стала возможность взаимодействия квантовых и классических вычислений в реальном времени. Это особенно важно для таких приложений, как безопасные квантовые вычисления в облаке, квантовая аутентификация и распределённые квантовые вычисления. В отличие от традиционных квантовых компьютеров, которые выполняют программы в одном непрерывном цикле, приложения квантовых сетей требуют обмена данными между узлами в процессе работы, а это значительно усложняет архитектуру.

Экспериментальные испытания

В рамках тестирования QNodeOS исследователи реализовали два сценария на квантовых узлах NV-центров. Первый эксперимент продемонстрировал возможность выполнения делегированных квантовых вычислений, когда клиент передавал серверу задачу на обработку, а сервер выполнял её на своём квантовом процессоре и отправлял результат обратно. Второй эксперимент продемонстрировал многозадачность: квантовый узел одновременно выполнял две независимые программы, используя время ожидания между квантовыми операциями для выполнения локальных вычислений. Оба эксперимента показали успешную работу системы и подтвердили возможность эффективного использования ресурсов квантовых сетей.

Более того, архитектура позволяет легко подключать новые платформы. В ходе тестирования исследователи реализовали драйвер для квантового узла на основе одиночного иона кальция-40, продемонстрировав гибкость QNodeOS. В будущем это позволит объединять квантовые процессоры разных типов в единую сеть, создавая основу для глобальной квантовой инфраструктуры.

Создание универсальной операционной системы для квантовых сетей является важным шагом к полноценному квантовому интернету. Возможность программирования квантовых узлов на высокоуровневом языке без необходимости глубоко разбираться в квантовой физике позволит широкой аудитории разработчиков создавать новые приложения. Это может привести к появлению квантовых облачных сервисов, более защищённых систем связи и распределённых вычислений, которые превосходят классические аналоги по скорости и безопасности.

Авторы проекта отмечают, что в будущем систему можно усовершенствовать, сократив задержки в обработке данных и оптимизировав алгоритмы распределения задач между узлами. Возможность объединения различных квантовых платформ делает QNodeOS универсальным инструментом для исследований и коммерческих приложений, закладывая основу для развития квантовой сети нового поколения.