Jakich systemów operacyjnych używają komputery kwantowe?

L komputery kwantowe Od lat są one reklamowane jako kolejna wielka rewolucja technologiczna, ale wciąż postrzegamy je jako coś odległego, niemal jak coś z laboratorium science fiction. Mimo to, za każdym razem, gdy pojawiają się doniesienia o nowych kubitach lub słynnej „supremacji kwantowej”, pojawia się to samo pytanie: jeśli kiedykolwiek będę miał taki kubit w domu, jaki będzie miał zainstalowany system operacyjny i jak będę go używał, nie będąc fizykiem kwantowym?

Ciekawostką jest to, że chociaż wciąż jesteśmy daleko od posiadania komputer kwantowy w salonieRozwój oprogramowania, języków programowania i konkretnych systemów operacyjnych postępuje bardzo dynamicznie. Istnieją już propozycje systemów sterujących procesorami kwantowymi, platform symulacyjnych, a nawet kompletnego systemu operacyjnego dla sieci kwantowych, zaprojektowanego tak, aby każdy mógł programować aplikacje w ramach tego przyszłego „internetu kwantowego”.

Od klasycznych bitów do kubitów: dlaczego potrzebny jest kolejny system operacyjny

Aby zrozumieć, dlaczego komputery kwantowe nie mogą używać Windows, Linux, Android lub macOS Tak jak je znamy, najpierw musimy przypomnieć sobie podstawową różnicę między komputerem klasycznym a kwantowym. Dzisiejsze urządzenia – komputery PC, konsole, telefony komórkowe – przetwarzają informacje za pomocą bitów binarnych, które mogą przyjmować tylko dwa stany: 0 lub 1, wyłączony lub włączony.

W klasycznym procesorze wszystko, co uruchamiasz, od gry wideo po sam system operacyjny, sprowadza się do ogromnych łańcuchów zera i jedynki które przemieszczają się jako impulsy elektryczne. Logika projektowania sprzętu, systemów operacyjnych i programów od dziesięcioleci opiera się na tym sztywnym i przewidywalnym, binarnym fundamencie.

Komputery kwantowe przełamują ten schemat. Zamiast bitów używają kubity, które zazwyczaj materializują się w układach fizycznych, takich jak elektrony, układy scalone fotoniczne kwantowe, uwięzione jony lub defekty w kryształach (na przykład centra barwne w diamencie). Kluczem jest to, że kubit nie jest ograniczony do 0 lub 1, ale może istnieć w superpozycji obu wartości jednocześnie.

La superpozycja kwantowa Oznacza to, że kubit może jednocześnie reprezentować stany 0 i 1 oraz dowolną kombinację pośrednią w postaci stanu kwantowego. Ponadto istnieją inne zjawiska, takie jak splątanie kwantowe, gdzie kilka kubitów koreluje w taki sposób, że zmiana stanu jednego z nich natychmiast wpływa na pozostałe, tworząc globalny system, który z perspektywy kwantowej jest niepodzielny.

Aby to zobrazować, należy posłużyć się analogią rzut monetąKlasyczny bit byłby jak moneta, która już wylądowała na stole (orzeł lub reszka, 0 lub 1), podczas gdy kubit byłby jak moneta wirująca nieustannie w powietrzu, która w jakiś sposób jednocześnie wypada orłem i reszką, dopóki ktoś jej nie zauważy i nie „zdecyduje” o jej wyniku. Ten moment pomiaru powoduje, że stan kwantowy zapada się do określonej wartości binarnej.

Komputery kwantowe wykorzystują tę zdolność do równoległego reprezentowania wielu stanów i jednoczesnego przetwarzania ich wszystkich. Teoretycznie pozwala im to rozwiązywać pewne problemy z… przytłaczająca moc obliczeniowa w porównaniu z klasycznymi superkomputerami, zwłaszcza w takich obszarach jak symulacje kwantowe, chemia, optymalizacja czy kryptografia postkwantowa.

Dlaczego Windows lub Linux nie będą działać na komputerze kwantowym

Ponieważ komputer kwantowy działa z kubitami w superpozycji i splątaniu, paradygmat oprogramowania ulega całkowitej zmianie. Klasyczny system operacyjny jest zaprojektowany dla deterministyczny sprzętgdzie operacje są binarne i powtarzalne, a pamięć i procesor podlegają znanym zasadom elektroniki cyfrowej.

W przeciwieństwie do tego procesor kwantowy zachowuje się zgodnie z prawami mechanika kwantowaz kruchymi, probabilistycznymi stanami, które są niezwykle wrażliwe na otoczenie. Nie można po prostu „przeportować” systemu Windows lub Android na układ kwantowy i oczekiwać, że będzie on rozumiał, jak obsługiwać kubity, bramki kwantowe, czasy koherencji czy kwantową korekcję błędów.

Do tego dochodzi jeszcze inna przeszkoda praktyczna: obecne komputery kwantowe wymagają ekstremalne warunki do funkcjonowania, zwłaszcza w temperaturach bliskich zera absolutnego (około -273,15 stopni Celsjusza), czyli warunki kriogeniczneJuż sam system chłodzenia i kontrola środowiska stanowią ogromne wyzwanie inżynieryjne, co jeszcze bardziej odróżnia tę technologię od konwencjonalnego środowiska domowego.

Dlatego też systemy operacyjne, których używamy obecnie na naszych komputerach PC lub urządzeniach mobilnych, są zupełnie nieodpowiednie dla prawdziwego procesora kwantowego; potrzebna jest nowa warstwa oprogramowania, zaprojektowana od podstaw, aby poradzić sobie z kubitami i fizyką, która nimi rządzi.

LIQUi|> firmy Microsoft: architektura oprogramowania i symulator kwantowy

Jednym z pierwszych głównych graczy, którzy podeszli do obliczeń kwantowych od strony oprogramowania, był Microsoftz platformą o nazwie LIQUi|>. Choć często mówi się o niej jak o systemie operacyjnym, w rzeczywistości jest to architektura oprogramowania i środowisko do tworzenia i symulacji algorytmów kwantowych.

LIQUi|> zawiera język programowania kwantowegoNarzędzia optymalizacyjne oraz zestaw algorytmów i bibliotek pozwalają badaczom i programistom opisywać obwody kwantowe na stosunkowo wysokim poziomie. Obwody te można następnie symulować na klasycznym sprzęcie lub tłumaczyć na instrukcje niskiego poziomu dla maszyny kwantowej.

Kluczowym elementem LIQUi|> jest jego silnik symulacyjny. Pozwala on na uruchomienie symulacje obwodów zawierających do około 30 kubitów Na standardowym komputerze z około 32 GB pamięci RAM wydajność symulatora jest ograniczona przede wszystkim dostępną pamięcią i liczbą wątków obsługiwanych przez procesor. Wraz ze wzrostem liczby kubitów zapotrzebowanie na pamięć rośnie wykładniczo, wyznaczając praktyczną granicę możliwości symulatora.

Ważne jest, że LIQUi|> działa jak tłumacz między algorytmami kwantowymi wysokiego poziomu a instrukcjami, które fizyczny procesor kwantowy faktycznie zrozumiałby. Należy jednak jasno zaznaczyć, że To nie jest kwantowy system operacyjny jako taki, lecz interfejs programowy i środowisko symulacyjne zaprojektowane do tworzenia i testowania na klasycznych komputerach PC.

W praktyce LIQUi|> zachowuje się jak wirtualne laboratorium, idealne do eksperymentowania z pomysłami i algorytmami przed przeniesieniem ich do prawdziwego urządzenia kwantowego. Nie można go jednak zainstalować jako „głównego systemu operacyjnego” komputera czysto kwantowego, ponieważ nie zarządza on bezpośrednio sprzętem ani nie kontroluje całego cyklu wykonywania i korekcji błędów na fizycznych kubitach.

Pierwszy system operacyjny dla prawdziwych procesorów kwantowych

Oprócz symulatorów takich jak LIQUi|>, pierwszym ważnym kamieniem milowym w rozwoju prawdziwy kwantowy system operacyjny Powstał w 2015 roku dzięki naukowcom z Uniwersytetu Cambridge. Zaprojektowali oni system przeznaczony specjalnie do sterowania fizycznymi procesorami kwantowymi i bezpośredniej manipulacji kubitami, a nie tylko do ich symulowania na klasycznym komputerze.

Ten kwantowy system operacyjny został zaprojektowany do zarządzania bardzo specyficznymi zadaniami sprzętowymi: kontrola kubituZajmuje się planowaniem operacji kwantowych, koordynacją bramek i pomiarów oraz zarządzaniem błędami wynikającymi z szumu kwantowego i utraty koherencji. Ponieważ jest on stworzony specjalnie dla odpowiedniej architektury kwantowej, nie można go uruchomić na konwencjonalnym komputerze.

Cechą odróżniającą ten typ systemu od tradycyjnego oprogramowania jest to, że musi on uwzględniać wewnętrzna dynamika kwantowa procesora i pracują z niezwykle precyzyjną dokładnością, rzędu nanosekund, dostosowując impulsy laserowe, mikrofale lub inne sygnały fizyczne, które implementują bramki kwantowe na kubitach.

Z perspektywy użytkownika końcowego, ten typ systemu operacyjnego jest praktycznie niewidoczny. Nie mówimy tu o graficznym interfejsie z oknami i pulpitem, ale raczej o warstwie sterowania, która znajduje się bardzo blisko sprzętu i pozwala innym programom wyższego poziomu na wykonywanie zadań kwantowych w „czysty” i spójny sposób, bez konieczności przejmowania się szczegółami fizycznymi.

Można powiedzieć, że ta pionierska praca z Cambridge pokazała, że ​​możliwe jest zaprojektowanie jądro systemu operacyjnego kwantowego zdolny do zarządzania zasobami kwantowymi w sposób analogiczny – choć znacznie bardziej złożony – do tego, w jaki klasyczne jądro zarządza procesami, pamięcią i urządzeniami peryferyjnymi.

Origin Quantum: „kompletny” kwantowy system operacyjny

W 2021 roku chiński startup poszedł o krok dalej i wprowadził Pochodzenie kwantoweKwantowy system operacyjny, reklamowany jako kompletna platforma do uruchamiania komputerów kwantowych w sposób bardziej zbliżony do tego, w jaki korzystamy z dzisiejszych komputerów osobistych. Chodziło o to, aby wyjść poza postrzeganie maszyny kwantowej jako jedynie „zdalnego akceleratora” do wysoce specjalistycznych obliczeń.

Propozycja Origin Quantum zakłada, że ​​komputery kwantowe mogą być używane jako stosunkowo niezależne systemyI to nie tylko jako terminale obliczeniowe, które otrzymują zadanie matematyczne z tradycyjnego serwera. Oznacza to wyposażenie systemu w bogatszą warstwę oprogramowania, zdolną do obsługi aplikacji, zarządzania zasobami i oferowania bardziej przyjaznych dla użytkownika interfejsów programistycznych.

Teoretycznie taki kwantowy system operacyjny pozwoliłby programistom traktować komputer kwantowy niemal jak maszynę autonomiczną: definiowaliby zadania, aplikacje i przepływy pracy na platformie, nie musząc stale myśleć o szczegółach kubitów, bramek czy fizyki niskiego poziomu.

Jednakże, mimo że systemy takie jak Origin Quantum są już funkcjonalny w środowiskach laboratoryjnychJednak jego zastosowanie jest nadal bardzo ograniczone ze względu na trudności techniczne związane z komputerami kwantowymi. Problemy z konserwacją, ciągłą kalibracją, korekcją błędów i stabilnością sprzętu ograniczają jego zastosowanie do ośrodków badawczych i wysoce wyspecjalizowanych firm.

Wielu ekspertów szacuje, że nawet przy tych postępach minie wiele dziesięcioleci – a niektórzy śmieją nawet mówić o stuleciu lub więcej – zanim zobaczymy komputery kwantowe z domowe systemy operacyjne dostępne jak laptop czy konsola do gier, które można kupić dzisiaj. Do tego czasu komputery kwantowe prawdopodobnie będą nadal wdrażane jako zdalna usługa w chmurze, dostępna przez internet.

QNodeOS: system operacyjny dla sieci kwantowych

Oprócz samych komputerów kwantowych, w pełnym rozkwicie rozwija się jeszcze inna dziedzina: sieci kwantowe i przyszłego „internetu kwantowego”. W tym kontekście Quantum Internet Alliance (QIA), europejskie konsorcjum, zaprezentowało QNodeOS, opisywany jako pierwszy system operacyjny zaprojektowany specjalnie dla sieci kwantowych.

System operacyjny QNodeOS nie jest przeznaczony do uruchamiania izolowanych algorytmów kwantowych na pojedynczym procesorze, lecz do zarządzania nimi. połączone węzły kwantowe które dzielą się splątaniem, wymieniają się klasycznymi i kwantowymi wiadomościami oraz współpracują ze sobą, aby oferować nowe typy rozproszonych aplikacji obliczeniowych i komunikacyjnych.

Celem QNodeOS, według jego twórców, jest obniżenie bariery wejścia dla tej technologii, umożliwiając aplikacje można programować i uruchamiać w sieci kwantowej w prosty sposób. Porównanie, które przedstawiają, jest bardzo jasne: chcą, aby korzystanie z sieci kwantowej było tak transparentne, jak korzystanie z laptopa czy telefonu komórkowego, bez konieczności rozumienia wewnętrznych obwodów procesora.

QNodeOS działa jak warstwa abstrakcji, która w maksymalnym stopniu zaciera granicę między sprzętem sieciowym a oprogramowaniem. Dzięki temu programiści mogą skupić się na logika aplikacji -co chce zrobić Twój program- zamiast walczyć z funkcjami i dziwactwami każdej podstawowej platformy sprzętowej kwantowej.

Jedną z charakterystycznych cech QNodeOS jest to, że jest całkowicie programowalny na wysokim poziomieJest to analogiczne do sposobu, w jaki obecnie tworzy się aplikacje na systemy Windows, Android czy inne tradycyjne systemy operacyjne. W przeciwieństwie do poprzednich podejść, gdzie każdy eksperyment lub platforma wymagały bardzo specyficznego kodowania, to podejście oferuje ujednolicony interfejs.

Co więcej, zastosowania sieci kwantowych stawiają zupełnie inne wyzwania niż te związane z izolowanym komputerem kwantowym. W sieci wymagane jest uruchomienie oddzielnych programów na różnych węzłach – na przykład na kliencie i serwerze – a programy te muszą… koordynuj, wykorzystując klasyczne wiadomości i splątanie kwantoweTa kombinacja komplikuje model wykonania i synchronizacji.

QNodeOS stawia czoła tym wyzwaniom, oferując ramy, które właściwie zarządzają tym rozproszonym wzorcem wykonywania zadań, umożliwiając programistom myślenie w kategoriach procesów współpracujących między węzłami, podczas gdy system operacyjny zajmuje się bardziej delikatną częścią: tworzyć, utrzymywać i wykorzystywać splątanie kwantowe niezawodnie.

Podczas demonstracji QNodeOS wykazał swoją zdolność do współpracy z wieloma bardzo różnymi typami sprzętu kwantowego. Na przykład, połączył się zarówno z procesorami kwantowymi, jak i komputerami kwantowymi. uwięzione jony takie jak procesory bazujące na diamentowych centrach barwnych, dwie technologie, które działają zupełnie inaczej na poziomie fizycznym, ale są zunifikowane w ramach tego samego sieciowego systemu operacyjnego.

Praca ta wymagała ścisłej współpracy fizyków, informatyków i inżynierów i wpisuje się w misję QIA polegającą na zbudowaniu skalowalna i użyteczna sieć kwantowaQNodeOS, który jest w stanie obsługiwać rzeczywiste zastosowania, staje się kluczowym elementem eksperymentów i rozwoju w tym kierunku, zapewniając wspólne środowisko do tworzenia oprogramowania w sieciach kwantowych.

W kolejnym kroku QIA planuje dalsze otwarcie dostępu do oprogramowania i sprzętu tej technologii. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu będzie wykorzystanie systemu QNodeOS w Eksplorator sieci kwantowejDemonstrator internetu kwantowego firmy QuTech. Platforma ta umożliwi znacznie szerszemu gronu odbiorców testowanie, wprowadzanie innowacji i tworzenie aplikacji dla sieci kwantowych, co jeszcze bardziej przyspieszy rozwój tej dziedziny.

Komputery kwantowe: zasady, moc i przewidywane zastosowania

Komputery kwantowe opierają się na kilku filarach teoretycznych: nakładka, splątanie kwantowe oraz zjawisko kolapsu kwantowego, które występuje, gdy mierzymy układ w superpozycji i przyjmuje on określoną wartość (z „1 i 0” zmienia się w „1 lub 0”). Zasady te pozwalają komputerom kwantowym podejmować się zadań niewykonalnych dla maszyn klasycznych.

Podczas gdy klasyczne komputery działają na zasadzie „włącz/wyłącz” (1/0), komputery kwantowe działają na zasadzie stanów niebinarne i wielowymiaroweNie rozwiązują problemów sekwencyjnie, jeden po drugim, ale raczej badają wiele rozwiązań równolegle dzięki nakładaniu się stanów, co otwiera drogę do ogromnej poprawy wydajności w przypadku niektórych konkretnych problemów.

Na przykład pojedynczy kubit może już reprezentować więcej informacji niż klasyczny bit, ponieważ jednocześnie obejmuje stany 0 i 1 oraz całe kontinuum stanów pośrednich. Z każdym dodatkowym kubitem reprezentacja i zdolność obliczeniowa Rośnie wykładniczo. Trzy kubity mogą zakodować osiem stanów równolegle, a przy użyciu około 300 kubitów możliwe byłoby już obsłużenie około 2^300 stanów, co jest liczbą astronomiczną.

Ta możliwość obliczeń równoległych sprawia, że ​​komputery kwantowe są szczególnie obiecujące w takich dziedzinach jak symulacje kwantowe (chemia, materiałoznawstwo, biologia kwantowa), złożone modelowanie finansowe, analiza dużych zbiorów danych, sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, a także projektowanie nowych schematów kryptograficznych i technik szyfrowania.

To jednak nie wszystkie zalety. Kubity są niezwykle wrażliwy i zmiennyUtrzymanie tych stanów w stanie spójnym wystarczająco długo, aby umożliwić wykonywanie użytecznych obliczeń, jest jednym z głównych wyzwań współczesności. Właśnie dlatego kwantowa korekcja błędów jest tak ważna, ponieważ znacząco komplikuje projektowanie sprzętu i oprogramowania, w tym samego systemu operacyjnego.

W praktyce nie oczekuje się, że komputery kwantowe całkowicie zastąpią komputery klasyczne, lecz że będą one współistnieć w różnych konfiguracjach. hybrydyW tym modelu część kwantowa zajmowałaby się najtrudniejszymi podproblemami lub badaniem rozwiązań w dużych przestrzeniach stanów, podczas gdy komputer klasyczny udoskonalałby, weryfikował i wykonywał obliczenia z dużą precyzją.

Stan obecny i perspektywy w sferze krajowej

Idea komputerów kwantowych sięga lat 80. XX wieku, kiedy Paul Benioff opisał kwantową wersję maszyny Turinga, a takie postacie jak Richard Feynman i Yuri Manin podkreślały potencjał teoretyczny komputerów kwantowych kontra komputery klasyczne. Od tego czasu rządy i duże firmy technologiczne zainwestowały ogromne sumy w urzeczywistnienie tej koncepcji.

W ostatnich latach wydarzyło się wiele ważnych rzeczy: IBM zaprezentował komputer kwantowy 20 kubitów W 2019 roku Google ogłosiło tzw. „supremację kwantową” za sprawą swojego układu Sycamore, opracowanego we współpracy z NASA, rozwiązując konkretny problem, który według nich był poza zasięgiem najlepszych klasycznych superkomputerów w rozsądnym czasie.

IBM zwiększył również liczbę kubitów dostępnych w swoich procesorach: Hummingbird, dzięki 65 kubitów127-kubitowy Eagle i 127-kubitowy Eagle to przykłady rosnącej skali tych maszyn. Jednocześnie poczyniono znaczące postępy w takich dziedzinach jak łączenie układów scalonych kwantowych.

Na początku 2023 roku osiągnięto duży wzrost wydajność przesyłu danych między układami kwantowymiOsiągnięcie wskaźników sukcesu bliskich 99,999993% w przesyłaniu informacji kwantowej między dwoma procesorami. Ten rodzaj postępu ma fundamentalne znaczenie dla budowy skalowalnych systemów kwantowych, a w przyszłości – solidnych sieci kwantowych.

Mimo wszystko wciąż daleko nam do zastąpienia komputerów kwantowych komputerami stacjonarnymi czy laptopami w domu. Złożoność systemów chłodzenia, ekstremalna wrażliwość sprzętu i konieczność wysoce wyspecjalizowane oprogramowanie (od języków programowania po kwantowe i sieciowe systemy operacyjne) sprawiają, że obliczenia kwantowe są na razie zasobem laboratoryjnym lub chmurowym, a nie produktem konsumenckim dostępnym na masowym rynku.

Dla każdego, kto pracuje nad projektami projektowania oprogramowania lub kwantowe systemy operacyjne do użytku domowegoObecnie literatura naukowa i techniczna koncentruje się przede wszystkim na środowiskach badawczych: architekturach takich jak LIQUi|>, platformach IBM, Google i Microsoft, propozycjach systemów operacyjnych niskiego poziomu dla procesorów kwantowych oraz rozwiązaniach takich jak QNodeOS w dziedzinie sieci. Wizja „kwantowego Windowsa dla domu” pozostaje na razie odległym celem.

Patrząc na szerszy obraz, można stwierdzić, że systemy operacyjne dla komputerów kwantowych i sieci kwantowych wciąż znajdują się w fazie wczesna, ale bardzo dynamiczna fazaIstnieją już wyspecjalizowane jądra systemów operacyjnych dla sprzętu kwantowego, interfejsy wysokiego poziomu, takie jak LIQUi|>, kompletne platformy, takie jak Origin Quantum, oraz sieciowy system operacyjny, taki jak QNodeOS, który toruje drogę do bardziej dostępnego przyszłego internetu kwantowego. Jeśli technologia kubitów, chłodzenie i korekcja błędów będą się rozwijać w obecnym tempie, cały ten ekosystem oprogramowania stanie się fundamentem dla komputerów kwantowych, które pewnego dnia wykroczą poza domenę laboratoriów i staną się, w taki czy inny sposób, integralną częścią naszego codziennego, technologicznego życia.