Aké operačné systémy používajú kvantové počítače?

undefined kvantové počítače Už roky sú propagované ako ďalšia veľká technologická revolúcia, no my ich stále vnímame ako niečo vzdialené, takmer ako niečo z vedecko-fantastického laboratória. Napriek tomu, vždy, keď sa objavia správy o nových qubitoch alebo slávnej „kvantovej nadradenosti“, vyvstáva tá istá otázka: ak ho niekedy budem mať doma, aký operačný systém v ňom bude nainštalovaný a ako ho budem používať bez toho, aby som bol kvantový fyzik?

Zaujímavé je, že hoci sme stále ďaleko od toho, aby sme kvantový počítač v obývačkeVývoj softvéru, programovacích jazykov a špecifických operačných systémov napreduje veľmi dobre. Už existujú návrhy systémov na riadenie kvantových procesorov, simulačných platforiem a dokonca aj kompletného operačného systému pre kvantové siete, navrhnutého tak, aby ktokoľvek mohol programovať aplikácie na tomto budúcom „kvantovom internete“.

Od klasických bitov po qubity: prečo je potrebný ďalší operačný systém

Aby sme pochopili, prečo kvantové počítače nemôžu používať Windows, Linux, Android alebo macOS Ako ich poznáme, najprv si musíme zopakovať základný rozdiel medzi klasickým počítačom a kvantovým počítačom. Dnešné zariadenia – počítače, konzoly, mobilné telefóny – spracovávajú informácie pomocou binárnych bitov, ktoré môžu byť iba v dvoch stavoch: 0 alebo 1, vypnuté alebo zapnuté.

V klasickom procesore je všetko, čo spustíte, od videohry až po samotný operačný systém, redukované na obrovské reťazce nuly a jednotky ktoré sa šíria ako elektrické impulzy. Logika návrhu hardvéru, operačných systémov a programov bola po desaťročia budovaná na tomto pevnom a predvídateľnom binárnom základe.

Kvantové výpočty tento stereotyp narúšajú. Namiesto bitov používajú qubity, ktoré sa zvyčajne zhmotňujú vo fyzikálnych systémoch, ako sú elektróny, kvantové fotonické čipy, zachytené ióny alebo defekty v kryštáloch (napríklad farebné centrá v diamante). Kľúčové je, že qubit nie je obmedzený na 0 alebo 1, ale môže existovať v superpozícii oboch hodnôt súčasne.

La kvantová superpozícia To znamená, že qubit môže súčasne reprezentovať stavy 0 a 1 a akúkoľvek medziľahlú kombináciu vo forme kvantového stavu. Okrem toho existujú aj iné javy, ako napríklad kvantové previazanie, kde sa niekoľko qubitov koreluje takým spôsobom, že zmena v jednom okamžite ovplyvní ostatné, čím sa vytvorí globálny systém, ktorý je z kvantového hľadiska nedeliteľný.

Pre vizualizáciu je potrebná analógia hod mincouKlasický bit by bol ako minca, ktorá už dopadla na stôl (panna alebo chrt, 0 alebo 1), zatiaľ čo qubit by bol ako minca, ktorá sa neustále otáča vo vzduchu, čo je zároveň panna aj chrt, kým si to niekto nevšimne a „nerozhodne“ o jej výsledku. Tento moment merania spôsobí, že kvantový stav sa zrúti do špecifickej binárnej hodnoty.

Kvantové počítače využívajú túto schopnosť reprezentovať viacero stavov paralelne a pracovať so všetkými z nich súčasne. To im teoreticky umožňuje riešiť určité problémy s... ohromujúci výpočtový výkon v porovnaní s klasickými superpočítačmi, najmä v oblastiach ako kvantové simulácie, chémia, optimalizácia alebo postkvantovej kryptografie.

Prečo Windows alebo Linux nebudú fungovať na kvantovom počítači

Keďže kvantový počítač pracuje s qubitmi v superpozícii a previazaní, softvérová paradigma sa úplne mení. Klasický operačný systém je navrhnutý pre... deterministický hardvérkde sú operácie binárne a opakovateľné a kde pamäť a procesor sa riadia známymi pravidlami digitálnej elektroniky.

Naproti tomu kvantový procesor sa správa podľa zákonov kvantová mechanikas krehkými, pravdepodobnostnými stavmi, ktoré sú extrémne citlivé na prostredie. Nemôžete jednoducho „preniesť“ Windows alebo Android na kvantový čip a očakávať, že bude rozumieť tomu, ako spracovať qubity, kvantové brány, koherenčné časy alebo kvantovú korekciu chýb.

K tomu sa pridáva ďalšia praktická prekážka: súčasné kvantové počítače potrebujú extrémne podmienky fungovať, najmä pri teplotách blízkych absolútnej nule (približne -273,15 stupňov Celzia), t. j. kryogénne podmienkySamotný chladiaci systém a regulácia prostredia predstavujú obrovskú technickú výzvu, ktorá túto technológiu ešte viac vzďaľuje od bežného domáceho prostredia.

Preto sú operačné systémy, ktoré dnes používame na našich počítačoch alebo mobilných zariadeniach, úplne nedostatočné pre skutočný kvantový procesor; je potrebná nová softvérová vrstva, navrhnutá od základov, aby sa zaoberala qubitmi a fyzikou, ktorá ich riadi.

Microsoft LIQUi|>: softvérová architektúra a kvantový simulátor

Jedným z prvých významných hráčov, ktorí pristúpili ku kvantovým výpočtom zo softvérovej strany, bol Microsofts platformou s názvom LIQUi|>. Hoci sa často označuje ako operačný systém, v skutočnosti ide o softvérovú architektúru a prostredie na vývoj a simuláciu kvantových algoritmov.

LIQUI|> obsahuje kvantový programovací jazykOptimalizačné nástroje a sada algoritmov a knižníc umožňujú výskumníkom a vývojárom popisovať kvantové obvody na relatívne vysokej úrovni. Tieto obvody je potom možné simulovať na klasickom hardvéri alebo preložiť do nízkoúrovňových inštrukcií pre kvantový stroj.

Kľúčovou súčasťou LIQUi|> je jeho simulačný engine. Umožňuje vám spúšťať simulácie obvodov s až približne 30 qubitmi Na štandardnom počítači s približne 32 GB RAM je výkon simulátora primárne obmedzený dostupnou pamäťou a počtom vlákien, ktoré dokáže procesor spracovať. S rastúcim počtom qubitov rastú exponenciálne požiadavky na pamäť, čo predstavuje praktický limit simulátora.

Dôležité je, že LIQUi|> funguje ako prekladač medzi kvantovými algoritmami vysokej úrovne a inštrukciami, ktorým by fyzický kvantový procesor skutočne rozumel. Treba však objasniť, že Nie je to kvantový operačný systém ako také, ale softvérové ​​rozhranie a simulačné prostredie určené na vývoj a testovanie na klasických počítačoch.

V praxi sa LIQUi|> správa ako virtuálne laboratórium, ideálne na experimentovanie s nápadmi a algoritmami pred ich prenesením do skutočného kvantového zariadenia. Nemohli by ste ho však nainštalovať ako „hlavný operačný systém“ čisto kvantového počítača, pretože priamo nespravuje hardvér ani nekontroluje celý cyklus vykonávania a korekcie chýb na fyzických qubitoch.

Prvý operačný systém pre skutočné kvantové procesory

Okrem simulátorov ako LIQUi|>, prvým významným míľnikom vo vývoji skutočný kvantový operačný systém Dorazil v roku 2015 vďaka výskumníkom z Univerzity v Cambridgei. Navrhli systém špeciálne určený na riadenie fyzických kvantových procesorov a priamu manipuláciu s qubitmi, nielen na ich simuláciu na klasickom PC.

Tento kvantový operačný systém bol navrhnutý na správu veľmi špecifických hardvérových úloh: riadenie qubitovZaoberá sa plánovaním kvantových operácií, koordináciou hradiel a meraní a manažmentom chýb vznikajúcich v dôsledku kvantového šumu a straty koherencie. Keďže je vyrobený na mieru pre zodpovedajúcu kvantovú architektúru, nemožno ho spustiť na konvenčnom počítači.

Tento typ systému sa odlišuje od tradičného softvéru tým, že musí brať do úvahy vnútorná kvantová dynamika procesora a pracujú v extrémne presných časoch, v rozsahu nanosekúnd, upravujú laserové impulzy, mikrovlny alebo iné fyzikálne signály, ktoré implementujú kvantové brány na qubitoch.

Z pohľadu koncového používateľa je tento typ operačného systému prakticky neviditeľný. Nehovoríme o grafickom rozhraní s Windowsom a pracovnou plochou, ale skôr o riadiacej vrstve, ktorá sa nachádza veľmi blízko hardvéru a umožňuje iným programom vyššej úrovne odosielať kvantové úlohy „čistým“ a koherentným spôsobom bez toho, aby sa museli starať o všetky fyzické detaily.

Dá sa povedať, že táto priekopnícka práca z Cambridge preukázala, že je možné navrhnúť jadro kvantového operačného systému schopný spravovať kvantové zdroje analogickým - hoci oveľa zložitejším - spôsobom, akým klasické jadro spravuje procesy, pamäť a periférie.

Origin Quantum: „kompletný“ kvantový operačný systém

V roku 2021 čínsky startup zašiel ešte o krok ďalej a predstavil Pôvod QuantumKvantový operačný systém, ktorý bol propagovaný ako kompletná platforma na prevádzku kvantových počítačov spôsobom viac podobným tomu, ako dnes používame osobné počítače. Cieľom bolo prekonať vnímanie kvantového stroja ako obyčajného „vzdialeného urýchľovača“ pre vysoko špecifické výpočty.

Návrh spoločnosti Origin Quantum spočíva v tom, že kvantové počítače sa dajú použiť ako relatívne nezávislé systémyA nielen ako výpočtové terminály, ktoré prijímajú matematický problém z tradičného servera. To znamená poskytnúť systému bohatšiu softvérovú vrstvu, schopnú spracovať aplikácie, spravovať zdroje a ponúkať užívateľsky prívetivejšie programovacie rozhrania.

Teoreticky by takýto kvantový operačný systém umožnil vývojárom zaobchádzať s kvantovým počítačom takmer ako s autonómnym strojom: definovali by úlohy, aplikácie a pracovné postupy na platforme bez toho, aby museli neustále premýšľať o detailoch qubitov, brán alebo nízkoúrovňovej fyziky.

Avšak aj keď systémy ako Origin Quantum už existujú funkčný v laboratórnom prostredíJeho prijatie je však stále veľmi obmedzené technickými ťažkosťami, ktoré sú vlastné kvantovým výpočtom. Problémy s údržbou, priebežnou kalibráciou, korekciou chýb a stabilitou hardvéru obmedzujú jeho použitie na výskumné centrá a vysoko špecializované spoločnosti.

Mnohí odborníci odhadujú, že aj napriek tomuto pokroku bude trvať mnoho desaťročí – a niektorí sa dokonca odvážia hovoriť o storočí alebo viac – kým uvidíme kvantové počítače s domáce operačné systémy dostupné ako niekto, kto si dnes kúpi notebook alebo hernú konzolu. Dovtedy bude kvantové počítanie pravdepodobne naďalej nasadené ako vzdialená cloudová služba, dostupná cez internet.

QNodeOS: operačný systém pre kvantové siete

Okrem samotných kvantových počítačov existuje ďalšia oblasť v plnom prúde: kvantové siete a budúci „kvantový internet“. V tejto súvislosti predstavila európska aliancia Quantum Internet Alliance (QIA) systém QNodeOS, ktorý je opísaný ako prvý operačný systém navrhnutý špeciálne pre kvantové siete.

QNodeOS nie je navrhnutý na spúšťanie izolovaných kvantových algoritmov na jednom procesore, ale na správu... prepojené kvantové uzly ktoré zdieľajú previazanie, vymieňajú si klasické a kvantové správy a spolupracujú, aby ponúkli nové typy distribuovaných výpočtových a komunikačných aplikácií.

Podľa jeho tvorcov je cieľom QNodeOS znížiť vstupnú bariéru pre túto technológiu, čo umožní... aplikácie je možné naprogramovať a spustiť v kvantovej sieti jednoduchým spôsobom. Porovnanie, ktoré robia, je veľmi jasné: chcú, aby používanie kvantovej siete bolo rovnako transparentné ako používanie notebooku alebo mobilného telefónu dnes bez nutnosti rozumieť vnútorným obvodom CPU.

QNodeOS funguje ako abstrakčná vrstva, ktorá čo najviac stiera hranicu medzi sieťovým hardvérom a softvérom. To umožňuje vývojárom sústrediť sa na logika aplikácie -čo chce váš program robiť- namiesto toho, aby sa musel zaoberať funkciami a zvláštnosťami každej základnej kvantovej hardvérovej platformy.

Jednou z určujúcich charakteristík QNodeOS je, že je úplne programovateľné na vysokej úrovniJe to analogické s tým, ako sa dnes vyvíjajú aplikácie pre Windows, Android alebo akýkoľvek iný tradičný operačný systém. Na rozdiel od predchádzajúcich prístupov, kde každý experiment alebo platforma vyžadovala vysoko špecifické kódovanie, tento ponúka jednotné rozhranie.

Aplikácie kvantových sietí navyše predstavujú celkom odlišné výzvy ako tie, ktoré predstavuje izolovaný kvantový počítač. V sieti musia na rôznych uzloch bežať samostatné programy – napríklad klient a server – ktoré musia koordinovať pomocou klasických správ a kvantového previazaniaTáto kombinácia komplikuje model vykonávania a synchronizácie.

QNodeOS rieši tieto výzvy tým, že ponúka rámec, ktorý správne riadi tento distribuovaný vzorec vykonávania, čo umožňuje vývojárom premýšľať o procesoch spolupracujúcich medzi uzlami, zatiaľ čo operačný systém sa stará o citlivejšiu časť: vytvárať, udržiavať a využívať kvantové previazanie de forma hodnoverný.

V demonštráciách QNodeOS preukázal svoju schopnosť pracovať s niekoľkými veľmi odlišnými typmi kvantového hardvéru. Napríklad sa pripojil ku kvantovým procesorom aj kvantovým počítačom. zachytené ióny ako sú procesory založené na diamantových farebných centrách, dve technológie, ktoré fungujú na fyzickej úrovni veľmi odlišne, ale sú zjednotené pod rovnakým sieťovým operačným systémom.

Táto práca si vyžadovala úzku spoluprácu medzi fyzikmi, informatikmi a inžiniermi a spadá do poslania QIA vybudovať škálovateľná a užitočná kvantová sieťVďaka schopnosti podporovať aplikácie v reálnom svete sa QNodeOS stáva kľúčovou súčasťou experimentovania a pokroku v tomto smere a poskytuje spoločné prostredie pre vývoj softvéru na kvantových sieťach.

Ako ďalší krok plánuje QIA ďalej sprístupniť softvérové ​​a hardvérové ​​komponenty tejto technológie. Jedným konkrétnym spôsobom, ako to dosiahnuť, bude použitie QNodeOS v Quantum Network ExplorerDemonštrátor kvantového internetu od spoločnosti QuTech. Táto platforma umožní oveľa širšiemu publiku testovať, inovovať a vytvárať aplikácie pre kvantové siete, čím sa ďalej urýchli vývoj v tejto oblasti.

Kvantové výpočty: princípy, výkon a očakávané aplikácie

Kvantové výpočty sa opierajú o niekoľko teoretických pilierov: superpozície, kvantové zapletenie a fenomén kvantového kolapsu, ku ktorému dochádza, keď meriame systém v superpozícii a ten prijme definovanú hodnotu (z „1 a 0“ sa stane „1 alebo 0“). Tieto princípy umožňujú kvantovým počítačom riešiť úlohy, ktoré sú pre klasické stroje neprekonateľné.

Zatiaľ čo klasické počítače fungujú na princípe „zapnuté/vypnuté“ (1/0), kvantové počítače fungujú so stavmi nebinárny a viacrozmernýNeriešia problémy postupne, jeden po druhom, ale skúmajú viacero riešení paralelne vďaka prekrývaniu stavov, čo otvára dvere k obrovskému zlepšeniu výkonu pri určitých špecifických problémoch.

Napríklad, jeden qubit už môže reprezentovať viac informácií ako klasický bit, pretože súčasne zahŕňa stavy 0 a 1 a celé kontinuum medzistavov. S každým ďalším qubitom reprezentačná a výpočtová kapacita Rastie exponenciálne. Tri qubity dokážu kódovať osem stavov paralelne a rádovo 300 qubitov by už umožnilo spracovať rádovo 2^300 stavov, čo je astronomické číslo.

Táto paralelná výpočtová schopnosť robí kvantové počítače obzvlášť sľubnými pre oblasti ako napríklad kvantové simulácie (chémia, materiály, kvantová biológia), komplexné finančné modelovanie, analýza veľkých dát, umelá inteligencia a strojové učenie, ako aj návrh nových kryptografických schém a šifrovacích techník.

To však nie sú všetky výhody. Qubity sú mimoriadne citlivý a nestályUdržiavanie týchto stavov v koherentných stavoch dostatočne dlho na vykonanie užitočných výpočtov je jednou z hlavných výziev súčasnosti. Preto je kvantová korekcia chýb taká dôležitá, pretože výrazne komplikuje návrh hardvéru a softvéru vrátane samotného operačného systému.

V praxi sa neočakáva, že kvantové počítače úplne nahradia klasické počítače, ale skôr budú koexistovať v rôznych konfiguráciách. hybridyV tomto modeli by kvantová časť riešila najťažšie čiastkové problémy alebo skúmanie riešení vo veľkých stavových priestoroch, zatiaľ čo klasický počítač by spresňoval, overoval a dokončoval výpočty s veľkou presnosťou.

Súčasný stav a perspektívy v domácej sfére

Myšlienka kvantových výpočtov pochádza z 80. rokov 20. storočia, keď Paul Benioff opísal kvantovú verziu Turingovho stroja a osobnosti ako Richard Feynman a Yuri Manin zdôraznili... teoretický potenciál kvantových počítačov oproti klasickým počítačom. Odvtedy vlády a veľké technologické spoločnosti investovali obrovské sumy do premeny tejto koncepcie na realitu.

V posledných rokoch došlo k dôležitým míľnikom: IBM predstavila kvantový počítač 20 qubitov V roku 2019 spoločnosť Google oznámila takzvanú „kvantovú nadvládu“ so svojím čipom Sycamore, vyvinutým v spolupráci s NASA, vyriešením špecifického problému, ktorý bol podľa nich v rozumnom čase mimo dosahu najlepších klasických superpočítačov.

Spoločnosť IBM tiež zvyšuje počet qubitov dostupných vo svojich procesoroch: Hummingbird s... 65 qubitov127-qubitový Eagle a 127-qubitový Eagle sú príkladmi toho, ako rozsah týchto strojov rastie. Zároveň sa dosiahol pozoruhodný pokrok v oblastiach, ako je prepojenie kvantových čipov.

Začiatkom roka 2023 sa dosiahol veľký nárast v účinnosť prenosu dát medzi kvantovými čipmidosiahnutie úspešnosti blízkej 99,999993 % pri prenose kvantových informácií medzi dvoma procesormi. Tento typ pokroku je základom pre budovanie škálovateľných kvantových systémov a v budúcnosti aj robustných kvantových sietí.

Napriek tomu všetkému sme stále ďaleko od toho, aby kvantové počítače nahradili stolové počítače alebo notebooky v domácnostiach. Zložitosť chladiacich systémov, extrémna citlivosť hardvéru a potreba... vysoko špecializovaný softvér (od programovacích jazykov až po kvantové a sieťové operačné systémy) robia z kvantových výpočtov zatiaľ laboratórny alebo cloudový zdroj, nie produkt pre masový spotrebiteľský trh.

Pre každého, kto pracuje na projektoch softvérového dizajnu alebo kvantové operačné systémy pre domáce použitieVedecká a technická literatúra sa dnes zameriava predovšetkým na výskumné prostredia: architektúry ako LIQUi|>, platformy od spoločností IBM, Google a Microsoft, návrhy nízkoúrovňových operačných systémov pre kvantové procesory a vývoj ako QNodeOS v oblasti sietí. Vízia „kvantového Windowsu pre domácnosti“ zostáva zatiaľ vzdialeným cieľom.

Pri pohľade na celkový obraz možno povedať, že operačné systémy pre kvantové počítače a siete sú stále v štádiu vývoja. skorá, ale veľmi dynamická fázaŠpecializované jadrá operačných systémov pre kvantový hardvér už existujú spolu s rozhraniami vysokej úrovne ako LIQUi|>, kompletnými platformami ako Origin Quantum a sieťovým operačným systémom ako QNodeOS, ktorý pripravuje cestu pre dostupnejší budúci kvantový internet. Ak sa technológia qubitov, chladenie a korekcia chýb budú naďalej rozvíjať súčasným tempom, celý tento softvérový ekosystém bude nevyhnutným základom pre to, aby sa kvantové výpočty jedného dňa dostali za hranice laboratórií a stali sa tak či onak neoddeliteľnou súčasťou nášho každodenného technologického života.