Hvilke operativsystemer bruker kvantedatamaskiner?

den kvantedatamaskiner De har blitt omtalt som den neste store teknologiske revolusjonen i årevis, men vi ser dem fortsatt som noe fjernt, nesten som noe tatt ut av et science fiction-laboratorium. Likevel, hver gang nyheter om nye qubits eller den berømte «kvanteoverlegenheten» dukker det samme spørsmålet opp: hvis jeg noen gang har en hjemme, hvilket operativsystem vil den ha installert, og hvordan vil jeg bruke den uten å være kvantefysiker?

Det interessante er at selv om vi fortsatt er langt fra å ha en kvantedatamaskinen i stuenUtviklingen av programvare, programmeringsspråk og spesifikke operativsystemer går svært bra. Det finnes allerede forslag til systemer for å kontrollere kvanteprosessorer, simuleringsplattformer og til og med et komplett operativsystem for kvantenettverk, designet slik at hvem som helst kan programmere applikasjoner på dette fremtidige «kvanteinternettet».

Fra klassiske biter til qubiter: hvorfor et annet operativsystem er nødvendig

For å forstå hvorfor kvantedatamaskiner ikke kan bruke Windows, Linux, Android eller macOS Slik vi kjenner dem, må vi først gjennomgå den grunnleggende forskjellen mellom en klassisk datamaskin og en kvantedatamaskin. Dagens enheter – PC-er, konsoller, mobiltelefoner – behandler informasjon med binære biter som bare kan være i to tilstander: 0 eller 1, av eller på.

I en klassisk prosessor er alt du kjører, fra et videospill til selve operativsystemet, redusert til enorme kjeder av nuller og enere som beveger seg som elektriske impulser. Designlogikken til maskinvare, operativsystemer og programmer har blitt bygget i flere tiår på dette rigide og forutsigbare binære fundamentet.

Kvantedatamaskiner bryter denne formen. I stedet for biter bruker de qubits, som vanligvis materialiserer seg i fysiske systemer som elektroner, kvantefotoniske brikker, fangede ioner eller defekter i krystaller (for eksempel fargesentre i diamant). Nøkkelen er at en qubit ikke er begrenset til 0 eller 1, men kan eksistere i en superposisjon av begge verdiene samtidig.

La kvantesuperposisjon Dette betyr at en qubit samtidig kan representere tilstandene 0 og 1, og enhver mellomliggende kombinasjon i form av en kvantetilstand. I tillegg finnes det andre fenomener, som kvanteforvikling, der flere qubits blir korrelert på en slik måte at en endring i én umiddelbart påvirker resten, og danner et globalt system som er udelelig fra et kvanteperspektiv.

For å visualisere dette, analogien til myntkastEn klassisk bit ville være som en mynt som allerede har landet på bordet (kron eller mynt, 0 eller 1), mens en qubit ville være som en mynt som snurrer kontinuerlig i luften, som på en eller annen måte er kron og mynt samtidig inntil noen observerer den og "bestemmer" utfallet. Dette måleøyeblikket får kvantetilstanden til å kollapse til en spesifikk binær verdi.

Kvantedatamaskiner utnytter denne evnen til å representere flere tilstander parallelt og operere på alle samtidig. Dette lar dem i teorien takle visse problemer med en overveldende datakraft sammenlignet med klassiske superdatamaskiner, spesielt innen områder som kvantesimuleringer, kjemi, optimalisering eller post-kvantekryptografi.

Hvorfor Windows eller Linux ikke fungerer på en kvantedatamaskin

Siden en kvantedatamaskin jobber med qubits i superposisjon og entanglement, endres programvareparadigmet fullstendig. Et klassisk operativsystem er designet for en deterministisk maskinvareder operasjoner er binære og repeterbare, og der minne og prosessor følger velkjente regler innen digital elektronikk.

I motsetning til dette oppfører en kvanteprosessor seg i henhold til lovene til kvantemekanikkmed skjøre, probabilistiske tilstander som er ekstremt følsomme for miljøet. Du kan ikke bare "portere" Windows eller Android til en kvantebrikke og forvente at den skal forstå hvordan man håndterer qubits, kvanteporter, koherenstider eller kvantefeilkorreksjon.

I tillegg til dette kommer en annen praktisk hindring: nåværende kvantedatamaskiner trenger ekstreme forhold å fungere, spesielt ved temperaturer nær det absolutte nullpunkt (omtrent -273,15 grader Celsius), det vil si, kryogene forholdKjølesystemet og miljøkontrollen alene utgjør en enorm teknisk utfordring, noe som ytterligere distanserer denne teknologien fra et konvensjonelt hjemmemiljø.

Derfor er operativsystemene vi bruker i dag på PC-ene eller mobile enheter fullstendig utilstrekkelige for en ekte kvanteprosessor; et nytt programvarelag er nødvendig, designet fra bunnen av for å håndtere qubits og fysikken som styrer dem.

Microsofts LIQUi|>: programvarearkitektur og kvantesimulator

En av de første store aktørene som nærmet seg kvantedatamaskinering fra programvaresiden var Microsoftmed en plattform kalt LIQUi|>. Selv om det ofte omtales som om det var et operativsystem, er det faktisk en programvarearkitektur og et miljø for utvikling og simulering av kvantealgoritmer.

LIQUi|> inkluderer en kvanteprogrammeringsspråkOptimaliseringsverktøy og et sett med algoritmer og biblioteker lar forskere og utviklere beskrive kvantekretser på et relativt høyt nivå. Disse kretsene kan deretter simuleres på klassisk maskinvare eller oversettes til lavnivåinstruksjoner for en kvantemaskin.

En nøkkelkomponent i LIQUi|> er simuleringsmotoren. Den lar deg kjøre simuleringer av kretser med opptil omtrent 30 qubits På en standard datamaskin med rundt 32 GB RAM er simulatorens ytelse primært begrenset av tilgjengelig minne og antall tråder CPU-en kan håndtere. Etter hvert som antallet qubits øker, vokser minnekravene eksponentielt, noe som markerer simulatorens praktiske grense.

Det viktigste er at LIQUi|> fungerer som en oversetter mellom kvantealgoritmer på høyt nivå og instruksjonene som en fysisk kvanteprosessor faktisk ville forstå. Det må imidlertid gjøres klart at Det er ikke et kvanteoperativsystem som sådan, men et programvaregrensesnitt og simuleringsmiljø designet for å bli utviklet og testet på klassiske PC-er.

I praksis oppfører LIQUi|> seg som et virtuelt laboratorium, perfekt for å eksperimentere med ideer og algoritmer før man bringer dem til en ekte kvanteenhet. Men man kan ikke installere det som «hovedoperativsystemet» til en ren kvantedatamaskin, siden det ikke direkte administrerer maskinvaren eller kontrollerer hele utførelses- og feilrettingsyklusen på fysiske qubits.

Første operativsystem for ekte kvanteprosessorer

Utover simulatorer som LIQUi|>, den første store milepælen i utviklingen av en ekte kvanteoperativsystem Den kom i 2015 takket være forskere ved University of Cambridge. De utviklet et system spesielt beregnet på å kontrollere fysiske kvanteprosessorer og direkte manipulere qubits, ikke bare simulere dem på en klassisk PC.

Dette kvanteoperativsystemet ble designet for å håndtere svært spesifikke maskinvareoppgaver: qubit-kontrollDen håndterer planlegging av kvanteoperasjoner, koordinering av porter og måling, og feilhåndtering som følge av kvantestøy og tap av koherens. Fordi den er spesialbygd for den tilsvarende kvantearkitekturen, kan den ikke kjøres på en konvensjonell datamaskin.

Det som skiller denne typen system fra tradisjonell programvare er at den må ta hensyn til intern kvantedynamikk av prosessoren, og arbeide til ekstremt presise tider, i området nanosekunder, og justere laserpulser, mikrobølger eller andre fysiske signaler som implementerer kvanteporter på qubits.

Fra sluttbrukerens perspektiv er denne typen operativsystem praktisk talt usynlig. Vi snakker ikke om et grafisk grensesnitt med Windows og et skrivebord, men snarere et kontrolllag som ligger svært nær maskinvaren og lar andre programmer på høyere nivå sende kvantejobber på en «ren» og sammenhengende måte, uten å måtte bekymre seg for alle de fysiske detaljene.

Man kan si at dette banebrytende arbeidet fra Cambridge viste at det er mulig å designe en Kjernen i kvanteoperativsystemet i stand til å håndtere kvanteressurser på en måte som er analog – om enn mye mer kompleks – med hvordan en klassisk kjerne håndterer prosesser, minne og periferiutstyr.

Origin Quantum: et «komplett» kvanteoperativsystem

I 2021 tok en kinesisk oppstartsbedrift det et skritt videre og introduserte Opprinnelse QuantumEt kvanteoperativsystem som ble annonsert som en komplett plattform for å kjøre kvantedatamaskiner på en måte som lignet mer på hvordan vi bruker en personlig datamaskin i dag. Ideen var å gå utover oppfatningen av kvantemaskinen som en ren «fjernakselerator» for svært spesifikke beregninger.

Origin Quantums forslag er at kvantedatamaskiner kan brukes som relativt uavhengige systemerOg ikke bare som dataterminaler som mottar et matematisk problem fra en tradisjonell server. Dette innebærer å gi systemet et rikere programvarelag, som er i stand til å håndtere applikasjoner, administrere ressurser og tilby mer brukervennlige programmeringsgrensesnitt.

I teorien ville et slikt kvanteoperativsystem tillate utviklere å behandle kvantedatamaskinen nesten som en autonom maskin: de ville definere oppgaver, applikasjoner og arbeidsflyter på plattformen uten å måtte tenke på detaljene i qubits, porter eller lavnivåfysikk.

Men selv om systemer som Origin Quantum allerede er funksjonell i laboratoriemiljøerImidlertid er bruken fortsatt svært begrenset av de iboende tekniske vanskelighetene ved kvantedatabehandling. Problemer med vedlikehold, kontinuerlig kalibrering, feilretting og maskinvarestabilitet begrenser bruken til forskningssentre og høyt spesialiserte selskaper.

Mange eksperter anslår at selv med disse fremskrittene vil det gå mange tiår – og noen tør til og med snakke om et århundre eller mer – før vi ser kvantedatamaskiner med operativsystemer for hjemmet tilgjengelig som noen som kjøper en bærbar PC eller en spillkonsoll i dag. Inntil da vil kvantedatamaskiner sannsynligvis fortsette å bli distribuert som en ekstern skytjeneste, tilgjengelig via internett.

QNodeOS: operativsystemet for kvantenettverk

Foruten kvantedatamaskiner i seg selv, er det et annet område i full gang: kvantenettverk og fremtidens «kvanteinternett». I denne sammenhengen har Quantum Internet Alliance (QIA), et europeisk konsortium, presentert QNodeOS, beskrevet som det første operativsystemet som er spesielt utviklet for kvantenettverk.

QNodeOS er ikke designet for å kjøre isolerte kvantealgoritmer på en enkelt prosessor, men for å administrere sammenkoblede kvantenoder som deler sammenfiltring, utveksler klassiske og kvantemeldinger, og samarbeider for å tilby nye typer distribuerte databehandlings- og kommunikasjonsapplikasjoner.

Ifølge skaperne er målet med QNodeOS å senke inngangsbarrieren for denne teknologien, slik at applikasjoner kan programmeres og kjøres i et kvantenettverk på en enkel måte. Sammenligningen de gjør er veldig tydelig: de ønsker at bruken av et kvantenettverk skal være like transparent som å bruke en bærbar PC eller mobiltelefon i dag, uten at de trenger å forstå CPU-ens interne kretser.

QNodeOS fungerer som et abstraksjonslag som visker ut grensen mellom nettverksmaskinvare og -programvare så mye som mulig. Dette lar utviklere fokusere på applikasjonslogikk – hva vil programmet ditt gjøre – i stedet for å kjempe med funksjonene og særegenhetene til hver underliggende kvantemaskinvareplattform.

En av de definerende egenskapene til QNodeOS er at den er fullstendig programmerbar på høyt nivåDette er analogt med hvordan applikasjoner utvikles i dag for Windows, Android eller andre tradisjonelle operativsystemer. I motsetning til tidligere tilnærminger, der hvert eksperiment eller hver plattform krevde svært spesifikk koding, tilbyr denne et enhetlig grensesnitt.

Kvantenettverksapplikasjoner presenterer dessuten ganske andre utfordringer enn utfordringene til en isolert kvantedatamaskin. I et nettverk kreves det separate programmer som kjører på forskjellige noder – for eksempel en klient og en server – som må koordinere ved hjelp av klassiske meldinger og kvanteforviklingerDenne kombinasjonen kompliserer utførelses- og synkroniseringsmodellen.

QNodeOS adresserer disse utfordringene ved å tilby et rammeverk som håndterer dette distribuerte utførelsesmønsteret på riktig måte, slik at utviklere kan tenke i form av prosesser som samarbeider mellom noder, mens operativsystemet håndterer den mer delikate delen: opprette, vedlikeholde og utnytte kvanteforviklinger pålitelig.

I demonstrasjonene har QNodeOS vist sin evne til å fungere med flere svært forskjellige typer kvantemaskinvare. For eksempel har den koblet seg til både kvanteprosessorer og kvantedatamaskiner. fangede ioner som for eksempel prosessorer basert på diamantfargesentre, to teknologier som fungerer svært forskjellig på det fysiske nivået, men er samlet under samme nettverksoperativsystem.

Dette arbeidet har krevd et tett samarbeid mellom fysikere, informatikere og ingeniører, og faller inn under QIAs oppdrag om å bygge en skalerbart og nyttig kvantenettverkQNodeOS, som er i stand til å støtte virkelige applikasjoner, blir dermed en nøkkelkomponent for å eksperimentere og utvikle seg i denne retningen, og gir et felles miljø for utvikling av programvare på kvantenettverk.

Som et neste steg planlegger QIA å gi ytterligere åpen tilgang til programvare- og maskinvarekomponentene i denne teknologien. En spesifikk måte å gjøre dette på vil være gjennom bruk av QNodeOS i Quantum Network ExplorerQuTechs demonstrator for kvanteinternett. Denne plattformen vil gi et mye bredere publikum muligheten til å teste, innovere og lage applikasjoner for kvantenettverk, noe som ytterligere akselererer utviklingen av feltet.

Kvantedatabehandling: prinsipper, kraft og forventede anvendelser

Kvantedatamaskiner er avhengige av flere teoretiske søyler: super, The kvanteforviklinger og fenomenet kvantekollaps, som oppstår når vi måler et system i superposisjon og det antar en definert verdi (fra «1 og 0» blir det «1 eller 0»). Disse prinsippene lar kvantedatamaskiner takle oppgaver som er uoverkommelige for klassiske maskiner.

Mens klassiske datamaskiner opererer etter "av/på"-prinsippet (1/0), opererer kvantedatamaskiner med tilstander ikke-binær og flerdimensjonalDe løser ikke problemer sekvensielt, ett etter ett, men utforsker heller flere løsninger parallelt takket være overlappingen av tilstander, noe som åpner døren for enorme ytelsesforbedringer for visse spesifikke problemer.

For eksempel kan en enkelt qubit allerede representere mer informasjon enn en klassisk bit, siden den samtidig omfatter tilstandene 0 og 1 og et helt kontinuum av mellomtilstander. Med hver ekstra qubit, representasjons- og beregningskapasitet Den vokser eksponentielt. Tre qubits kan kode åtte tilstander parallelt, og i størrelsesorden 300 qubits ville allerede tillate håndtering i størrelsesorden 2^300 tilstander, et astronomisk tall.

Denne parallelle databehandlingskapasiteten gjør kvantedatamaskiner spesielt lovende for felt som kvante-simuleringer (kjemi, materialer, kvantebiologi), kompleks finansiell modellering, stordataanalyse, kunstig intelligens og maskinlæring, samt design av nye kryptografiske ordninger og krypteringsteknikker.

Det er imidlertid ikke bare fordeler. Qubits er ekstremt følsom og ustabilÅ opprettholde disse tilstandene i koherente tilstander lenge nok til å utføre nyttige beregninger er en av de største utfordringene i dag. Det er derfor kvantefeilkorreksjon er så viktig, ettersom det kompliserer design av maskinvare og programvare betydelig, inkludert selve operativsystemet.

I praksis forventes det ikke at kvantedatamaskiner fullstendig skal erstatte klassiske datamaskiner, men snarere sameksistere i forskjellige konfigurasjoner. hybriderI denne modellen ville kvantedelen håndtere de vanskeligste delproblemene eller utforskningen av løsninger over store tilstandsrom, mens den klassiske datamaskinen ville forbedre, verifisere og fullføre beregningene med stor presisjon.

Nåværende tilstand og utsikter for den innenlandske sfæren

Ideen om kvantedatamaskinering stammer fra 80-tallet, da Paul Benioff beskrev en kvanteversjon av Turingmaskinen, og personer som Richard Feynman og Yuri Manin la vekt på teoretisk potensial av kvantedatamaskiner kontra klassiske datamaskiner. Siden den gang har myndigheter og store teknologiselskaper investert enorme summer i å gjøre dette konseptet til virkelighet.

De siste årene har det vært viktige milepæler: IBM presenterte en kvantedatamaskin av 20 qubits I 2019 annonserte Google den såkalte «kvanteoverlegenheten» med Sycamore-brikken sin, utviklet i samarbeid med NASA, ved å løse et spesifikt problem som ifølge dem var utenfor rekkevidden til de beste klassiske superdatamaskinene på rimelig tid.

IBM har også økt antallet qubits som er tilgjengelige i prosessorene sine: Hummingbird, med 65 qubits127-qubit Eagle og 127-qubit Eagle er eksempler på hvordan skalaen til disse maskinene vokser. Samtidig har det blitt gjort bemerkelsesverdige fremskritt på områder som sammenkobling av kvantebrikker.

Ved inngangen til 2023 ble det oppnådd en stor økning i dataoverføringseffektivitet mellom kvantebrikkeroppnådde suksessrater på nær 99,999993 % i overføring av kvanteinformasjon mellom to prosessorer. Denne typen fremgang er grunnleggende for å bygge skalerbare kvantesystemer og, i fremtiden, robuste kvantenettverk.

Til tross for alt dette er vi fortsatt langt fra å se kvantedatamaskiner erstatte stasjonære PC-er eller bærbare datamaskiner hjemme. Kompleksiteten i kjølesystemene, den ekstreme følsomheten til maskinvaren og behovet for svært spesialisert programvare (fra programmeringsspråk til kvante- og nettverksoperativsystemer) gjør kvantedatamaskinering, foreløpig, til et laboratorium eller en skyressurs, ikke et massemarkedsforbrukerprodukt.

For alle som jobber med programvaredesignprosjekter eller kvanteoperativsystemer for boligbrukI dag fokuserer vitenskapelig og teknisk litteratur primært på forskningsmiljøer: arkitekturer som LIQUi|>, plattformer fra IBM, Google og Microsoft, forslag til lavnivå-OS for kvanteprosessorer og utviklinger som QNodeOS innen nettverksfeltet. Visjonen om et «kvante-Windows for hjemmet» er foreløpig et fjernt mål.

Når man ser på det store bildet, kan man si at operativsystemer for kvantedatamaskiner og nettverk fortsatt er i en tidlig, men svært dynamisk faseSpesialiserte operativsystemkjerner for kvantemaskinvare finnes allerede, sammen med høynivågrensesnitt som LIQUi|>, komplette plattformer som Origin Quantum og et nettverksoperativsystem som QNodeOS som baner vei for et mer tilgjengelig fremtidig kvanteinternett. Hvis qubit-teknologi, kjøling og feilretting fortsetter å modnes i dagens tempo, vil hele dette programvareøkosystemet være det essensielle fundamentet for at kvantedatamaskiner en dag kan bevege seg utover laboratorienes rike og på en eller annen måte bli en integrert del av våre daglige teknologiske liv.