Een internationale onderzoeksgroep heeft het eerste besturingssysteem voor quantumnetwerken ontwikkeld. Dit maakt het mogelijk om eenvoudig apps voor quantumnetwerken te programmeren en uit te voeren. Het is een belangrijke stap in het toegankelijk maken van quantumtechnologie.
Hoewel een nuttige quantumcomputer waarschijnlijk nog een decennium op zich laat wachten, komen quantumnetwerken steeds dichterbij. Zo’n netwerk – ook wel quantuminternet geheten – werkt net als een quantumcomputer met quantumbits (of qubits). Waar gewone computerbits altijd 0 of 1 zijn, kunnen qubits ook een combinatie van 0 en 1 zijn. Dat heeft voordelen, zoals meer rekenkracht voor het oplossen van bepaalde problemen.
Via een quantumnetwerk zou je toekomstige quantumcomputers met elkaar kunnen verbinden en gegarandeerd veilige verbindingen tot stand kunnen brengen. Het is namelijk onmogelijk om ongemerkt een quantumverbinding af te luisteren.
‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Om gebruik te kunnen maken van deze toepassingen, moet je momenteel nog precies weten hoe de hardware – de qubits en alle andere elektronica – werkt. Het besturingssysteem dat onderzoekers van QuTech, bij de TU Delft, hebben ontwikkeld, moet daar verandering in brengen. Zij werkten samen met collega’s van de Universiteit van Innsbruck en de Franse onderzoeksinstituten INRIA en CNRS.
‘Het doel van ons onderzoek is om quantumnetwerktechnologie voor iedereen toegankelijk te maken’, zegt Stephanie Wehner, quantumcomputertechnoloog bij QuTech. ‘We maken het mogelijk – voor het eerst – om eenvoudig applicaties op een quantumnetwerk te programmeren en uit te voeren.’ Het team publiceerde over hun besturingssysteem in het wetenschappelijk vakblad Nature.
Besturingssysteem
Een tekstverwerker zoals Word, een communicatie-app zoals WhatsApp of Signal, of een spelletje – het zijn allemaal applicaties die draaien op je smartphone, laptop of PC. En die kunnen niet zonder een besturingssysteem, zoals Windows, MacOS, iOS of Android. Deze systemen zorgen ervoor dat het eenvoudig is om applicaties te ontwerpen en te gebruiken.
Zonder de laag van het besturingssysteem zouden app-ontwikkelaars direct in de hardware van je laptop of telefoon moeten programmeren. Dat zou betekenen dat ze precies moeten weten hoe die hardware in elkaar zit en hoe de transistors en de andere elektronica functioneren. Dankzij besturingssystemen is dat niet nodig en is het eenvoudiger om apps te maken die op verschillende smartphones en laptops werken.
Wehner en haar collega’s hebben nu een besturingssysteem ontwikkeld, QNodeOS genaamd, dat vergelijkbaar werkt voor quantumnetwerken. Met dit systeem kun je gemakkelijker applicaties voor quantumnetwerken maken, bijvoorbeeld voor veilige communicatie, zonder dat je specifieke kennis nodig hebt van de onderliggende quantumhardware. ‘Wij zorgen ervoor dat je geen quantumfysica-expert hoeft te zijn om ermee te kunnen werken’, zegt Wehner.
‘Met alleen de quantumhardware kun je nu ook al toepassingen mogelijk maken, zoals het uitwisselen van een sleutel waarmee je digitale berichten veilig kunt versleutelen’, zegt computerwetenschapper Bart van der Vecht van QuTech. ‘Maar daarvoor heb je veel technische kennis nodig over de quantumsystemen en je moet het toespitsen op de specifieke hardware waar je mee werkt.’
Met QNodeOS heb je minder quantumkennis nodig en hoef je zelfs niet te weten welke hardware het netwerk gebruikt. De onderzoekers hopen dat de quantumtechnologie hiermee toegankelijk wordt voor een breder publiek van bedrijven, wetenschappers en particulieren om mee te experimenteren.
Ongeacht hardware
‘De hardware en software laten samenwerken is lastig’, zegt team en quantumtechnoloog Mariagrazia Iuliano. ‘Qubits werken namelijk op tijdschalen tussen de nano- en microseconden (0,0000000001 en 0,0000001 seconden, red.) en de gewone elektronica en software werken op de millisecondeschaal. Het is veel werk om dat op elkaar te laten aansluiten. En quantuminformatie is fragiel. Je moet dus snel werken, voordat het verloren gaat.’
De onderzoekers hebben nu voor elkaar gekregen dat ze een quantumnetwerk met twee knooppunten kunnen aansturen met een relatief simpel computertje – ongeveer ter grootte van een pakje zakdoekjes – dat is aangesloten op een laptop. Daarmee konden ze een simpele quantumberekening laten uitvoeren door twee kleine quantumsystemen samen, die verbonden waren via een quantumnetwerk dat in dit geval bestond uit één verbinding.
Uiteindelijk is het de bedoeling dat het voor appmakers niet uitmaakt uit wat voor qubits en andere quantumhardware het netwerk bestaat, zegt Iuliano. ‘Als je eenmaal een app gemaakt hebt, moet het besturingssysteem ervoor zorgen dat het overal op werkt.’ Daarvoor zijn de eerste stappen gezet. De onderzoekers hebben aangetoond dat QNodeOS werkt met de quantumhardware van QuTech in Delft, die bestaat uit zogeheten NV-center-qubits, en met de quantumhardware bij de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk, die bestaat uit zogeheten trapped-ion-qubits.
Niemand kan met zekerheid zeggen of QNodeOS hét besturingssysteem voor toekomstige quantumnetwerken zal worden, schrijft quantumwetenschapper Claudio Cicconetti van het Italiaanse onderzoeksinstituut IIT in een News & views-artikel in vakblad Nature. ‘Maar QNodeOS is een stap in de goede richting en kan quantumcomputers en -netwerken naar een nieuwe fase van volwassenheid leiden.’
