Thường được mô tả là cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo, máy tính lượng tử hiện vẫn chỉ giới hạn trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Hiện tại, mục tiêu dân chủ hóa chỉ là một mục tiêu xa vời, nhưng những nền tảng cho phép áp dụng rộng rãi công nghệ này trong tương lai đang dần được xây dựng. Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ Liên minh Internet lượng tử đã phát triển hệ điều hành đầu tiên được thiết kế dành riêng cho mạng lượng tử, nhằm kết nối các nút điện toán lượng tử khác nhau với nhau và có lẽ bắt đầu đặt nền móng cho Internet của tương lai.
Tuy nhiên, QNodeOS được phát triển đặc biệt để thao tác và phối hợp thông tin được mã hóa trong qubit (hoặc bit lượng tử) trong cơ sở hạ tầng mạng phân tán. Do đó, mục đích của nó không phải là quản lý trực tiếp các tài nguyên nội bộ của từng máy tính lượng tử riêng lẻ mà tập trung vào việc quản lý và phối hợp các tương tác giữa các nút trong mạng lượng tử. Nói cách khác, vai trò chính của nó là tạo điều kiện thuận lợi cho việc phối hợp và trao đổi thông tin giữa nhiều thiết bị lượng tử khác nhau, nhằm tận dụng sức mạnh tính toán được phân bổ trên nhiều bộ xử lý lượng tử được kết nối với nhau.
Được tạo thành từ phần cứng máy tính thông thường (đặc biệt là bộ xử lý và giao diện mạng),CNPU chịu trách nhiệm chạy mã máy tính cổ điển. Nó điều phối việc khởi động các chương trình, thực thi các phần nhị phân của mã và giao tiếp với CNPU của các nút khác trong mạng. Nó cũng có thể lưu trữ môi trường người dùng để lưu trữ kết quả. QNPU là trung tâm thực thi các khối mã lượng tử. Nó diễn giải các lệnh lượng tử (khởi tạo qubit, áp dụng các cổng lượng tử, phép đo và tạo ra sự vướng víu, v.v.), quản lý tài nguyên của thiết bị lượng tử và duy trì trạng thái thực thi của các chương trình lượng tử.
Bản thân phần cứng lượng tử vật lý (hay QDevice) chịu trách nhiệm thao tác và lưu trữ qubit, áp dụng các phép toán lượng tử và tạo ra sự vướng víu với các nút khác trên mạng, đồng thời truyền đạt đến QNPU các phép toán lượng tử mà nó có thể thực hiện và số lượng qubit khả dụng. Kiến trúc QNodeOS cuối cùng đã giới thiệu khái niệm QDriver, tức là lớp trừu tượng phần cứng. “Trình điều khiển” này chịu trách nhiệm dịch các hoạt động lượng tử, được thể hiện bằng ngôn ngữ lập trình trung gian gọi là NetQASM (Ngôn ngữ lắp ráp mạng lượng tử), thành các chuỗi lệnh vật lý dành riêng cho thiết bị lượng tử cơ bản.
Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các cuộc trình diễn minh họa khả năng hoạt động của QNodeOS với các loại phần cứng lượng tử khác nhau. Bước quan trọng tiếp theo sẽ là tích hợp hệ điều hành này vào Quantum Network Explorer của QuTech, một trình diễn mạng lượng tử được thiết kế để cung cấp khả năng truy cập rộng rãi hơn vào công nghệ này.
QNodeOS: Kết nối các thiết bị lượng tử
Cho đến nay, các nỗ lực chứng minh các ứng dụng mạng lượng tử chủ yếu dựa vào các giải pháp phần mềm tùy chỉnh, đòi hỏi phải hiểu rõ đặc điểm riêng của từng nền tảng phần cứng và được phát triển riêng cho từng cấu hình thử nghiệm cụ thể. Ngược lại, hệ điều hành mạng QNodeOS do các nhà nghiên cứu phát triển nhằm mục đích cung cấp một lớp trừu tượng giữa phần cứng cơ bản và các ứng dụng phần mềm. Tương tự như các hệ điều hành như Windows, Android hoặc Linux, cho phép người dùng tương tác với máy tính thông thường mà không cần biết chi tiết về cách bộ xử lý hoặc bộ nhớ hoạt động, QNodeOS ẩn đi sự phức tạp của phần cứng lượng tử và các giao thức truyền thông cơ bản, giúp đơn giản hóa đáng kể quá trình phát triển và thực thi các ứng dụng. trên loại mạng này.
Tuy nhiên, QNodeOS được phát triển đặc biệt để thao tác và phối hợp thông tin được mã hóa trong qubit (hoặc bit lượng tử) trong cơ sở hạ tầng mạng phân tán. Do đó, mục đích của nó không phải là quản lý trực tiếp các tài nguyên nội bộ của từng máy tính lượng tử riêng lẻ mà tập trung vào việc quản lý và phối hợp các tương tác giữa các nút trong mạng lượng tử. Nói cách khác, vai trò chính của nó là tạo điều kiện thuận lợi cho việc phối hợp và trao đổi thông tin giữa nhiều thiết bị lượng tử khác nhau, nhằm tận dụng sức mạnh tính toán được phân bổ trên nhiều bộ xử lý lượng tử được kết nối với nhau.
Một hệ điều hành lượng tử và đa nhiệm
Có thể lập trình hoàn toàn, QNodeOS sẽ cho phép các nhà phát triển thiết kế và chạy các ứng dụng ở mức độ trừu tượng cao, tập trung vào logic và chức năng của chương trình thay vì sự phức tạp của thao tác lượng tử ở cấp độ vật lý. Do đó, hệ điều hành này sẽ cho phép cộng đồng nhà phát triển rộng lớn hơn nhiều tiếp cận công nghệ mạng lượng tử mà không cần chuyên môn sâu về vật lý lượng tử thực nghiệm để thiết kế và triển khai ứng dụng. QNodeOS cũng có khả năng thực hiện đa nhiệm để tối ưu hóa việc sử dụng các tài nguyên phần cứng hạn chế của các thiết bị lượng tử: nhiều ứng dụng hoặc tác vụ có thể chạy đồng thời trên một nút mạng lượng tử duy nhất, do đó tối đa hóa hiệu quả và hiệu suất của phần cứng khả dụng. Để thực hiện điều này, hệ điều hành chia mỗi nút tính toán trong mạng lượng tử thành ba thành phần logic: một đơn vị xử lý mạng cổ điển (hay CNPU), một đơn vị xử lý mạng lượng tử (QNPU) và chính thiết bị lượng tử.
Được tạo thành từ phần cứng máy tính thông thường (đặc biệt là bộ xử lý và giao diện mạng),CNPU chịu trách nhiệm chạy mã máy tính cổ điển. Nó điều phối việc khởi động các chương trình, thực thi các phần nhị phân của mã và giao tiếp với CNPU của các nút khác trong mạng. Nó cũng có thể lưu trữ môi trường người dùng để lưu trữ kết quả. QNPU là trung tâm thực thi các khối mã lượng tử. Nó diễn giải các lệnh lượng tử (khởi tạo qubit, áp dụng các cổng lượng tử, phép đo và tạo ra sự vướng víu, v.v.), quản lý tài nguyên của thiết bị lượng tử và duy trì trạng thái thực thi của các chương trình lượng tử.
Bản thân phần cứng lượng tử vật lý (hay QDevice) chịu trách nhiệm thao tác và lưu trữ qubit, áp dụng các phép toán lượng tử và tạo ra sự vướng víu với các nút khác trên mạng, đồng thời truyền đạt đến QNPU các phép toán lượng tử mà nó có thể thực hiện và số lượng qubit khả dụng. Kiến trúc QNodeOS cuối cùng đã giới thiệu khái niệm QDriver, tức là lớp trừu tượng phần cứng. “Trình điều khiển” này chịu trách nhiệm dịch các hoạt động lượng tử, được thể hiện bằng ngôn ngữ lập trình trung gian gọi là NetQASM (Ngôn ngữ lắp ráp mạng lượng tử), thành các chuỗi lệnh vật lý dành riêng cho thiết bị lượng tử cơ bản.
Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các cuộc trình diễn minh họa khả năng hoạt động của QNodeOS với các loại phần cứng lượng tử khác nhau. Bước quan trọng tiếp theo sẽ là tích hợp hệ điều hành này vào Quantum Network Explorer của QuTech, một trình diễn mạng lượng tử được thiết kế để cung cấp khả năng truy cập rộng rãi hơn vào công nghệ này.
