Alle Computer, Tablets und Smartphones haben ein Betriebssystem. Dieses fungiert quasi als Schnittstelle zwischen Hard- und Software und stellte eine (mehr oder minder) einfache Benutzeroberfläche zur Verfügung. Dank dieses Betriebssystems und den damit verbundenen Treibern wird Softwareentwicklung unabhängig von der verwendeten Hardware, da für ein Betriebssystem entwickelte Apps auf allen Rechnern funktionieren – unabhängig von der verwendeten Hardware, solange die Mindestanforderungen erfüllt werden. Physiker:innen gelang es nun, erstmals ein Betriebssystem für Quantensysteme zu entwickeln, also eine Art einheitliche Architektur, die unabhängig von der Art des Quantencomputers und Quantennetzwerks funktioniert. Dieses QNodeOS getaufte System bildet eine Schnittstelle zwischen Software-Anwendungen und Hardware und vereinfacht so die Programmierung und Nutzung von Quanten-Applikationen.
Ein Betriebssystem für Quantencomputer
Ein solches Betriebssystem existierte bisher für Quantencomputer noch nicht. Quantenrechner und Quantenmodems nutzten bisher spezifische, exklusiv für dieses System sowie die jeweilige Aufgabe ausgelegte Programme. „Es fehlt eine Architektur, die unabhängig von der zugrundeliegenden Quanten-Hardware ist und die es dem Programmierer erspart, die Physik des Systems zu verstehen„, schreiben Forscher:innen rund um Carlo Delle Donne von der Technischen Universität Delft.
Delle Donne und sein Team haben nun das erste Betriebssystem für Quantennetzwerke entwickelt. Sie nannten dieses System QNodeOS und entwickelten es so, dass es für Quantensysteme die Funktionen übernimmt, die etwa Cloudcomputing und Internet ermöglichen. „Es ist nun zum ersten Mal möglich, Anwendungen auf einem Quantennetzwerk einfach zu programmieren und auszuführen„, so Stephanie Wehner von der TU Delft, Seniorautorin des Papers.
Bei der Entwicklung des Systems mussten die Physiker:innen mehrere Herausforderungen überwinden. Qubits und Quanteninformationen basieren auf Quantenphänomen wie der Überlagerung und Verschränkung. Diese sind extrem störanfällig und zeitkritisch. Es liegt außerdem in der Natur der Quantenphysik, dass nicht nur klassische digitale Kontrollsysteme und Protokolle benötigt werden, sondern auch quantenphysikalische. Die Forscher:innen gaben dem Betriebssystem deshalb eine modulare Architektur, in der ein klassischer Netzwerkprozessor (CNPU) mit einer Quantennetzwerk-Prozessoreinheit (QNPU) kombiniert wurde.
Tests auf verschiedenen Systemen
Dabei bildet der klassische Prozessor die Schnittstelle zu den Software-Anwendungen. „Mit Beginn der Ausführung erzeugt die CNPU einen Prozess – wie in normalen Betriebssystemen auch„, erklären die Forscher:innen. Die Befehle der installierten App werden dann über ein Interface an den Quantennetzwerkprozessor weitergereicht, der dann eigene, mit den digitalen Prozessen assoziierte Prozesse generiert. Variable Treiber stellen dabei die Kommunikation zwischen CNPU und QNPU sicher.
Um das System zu testen, haben Belle Donne und seine Kolleg:innen dieses auf zwei verschiedenen Quantennetzwerken installiert. Das erst Netzwerk basierte auf Ionen als Qubits, das andere auf Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantkristall. Jeweils zwei dieser Quantencomputer waren als Netzwerk miteinander verknüpft und bildeten dann eine einfache Form des delegierten Quantencomputing mit einem Client und einem Server.
Vielversprechende Ergebnisse: Meilenstein für Quantencomputer?
„Wir konnten zeigen, dass QNodeOS mit beiden arbeiten kann. Unser Betriebssystem ist wie die Software auf Ihrem Computer zu Hause: Sie müssen nicht wissen, wie die Hardware funktioniert, um sie zu benutzen„, so Tracy Northup von der Universität Innsbruck, eine Koautorin des Papers.
Die Forscher:innen konnten außerdem zeigen, dass das Betriebssystem auch Multitasking betreiben kann. Hierbei teilt das System die Arbeitspakete zwischen freien Netzwerk-Ressourcen auf. „Unsere Architektur ist dabei unabhängig von der Entfernung oder Konnektivität zwischen den Endknoten – solange der Protokollstapel es erlaubt, eine Verschränkung zwischen ihnen aufzubauen„, schreiben die Physiker:innen.
Das Team geht dafür aus, mit QNodeOS eine Basis für wichtige Fortschritte im Quantencomputing geschaffen zu haben. Mit solch einem Betriebssystem können Entwickler Software relativ einfach und für eine große Zahl verschiedener Quantencomputer programmieren.
via TU Delft
