上海
由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、荷蘭量子技術(shù)研究所 （QuTech）、奧地利因斯布魯克大學(xué)、法國(guó)國(guó)家信息與自動(dòng)化研究所和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心組成的量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 （QIA）的研究人員宣布了一項(xiàng)重大突破：他們開發(fā)了首個(gè)專門為量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)——QNodeOS。這項(xiàng)成果發(fā)表在最新《自然》雜志上，標(biāo)志著量子網(wǎng)絡(luò)從理論走向?qū)嵱玫闹匾徊健?/p>
未來量子網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)新的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這個(gè)目標(biāo)僅使用經(jīng)典通信是無法實(shí)現(xiàn)的。目前為止，量子網(wǎng)絡(luò)在量子處理器上對(duì)其應(yīng)用和功能的演示，已經(jīng)在特定軟件中執(zhí)行，該軟件被設(shè)計(jì)為使用實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的專業(yè)知識(shí)直接在低級(jí)控制設(shè)備中執(zhí)行單一任務(wù)。代爾夫特理工大學(xué)與法國(guó)研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)了一種架構(gòu)，該架構(gòu)能夠在獨(dú)立于平臺(tái)的高級(jí)軟件中的量子處理器上執(zhí)行量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。他們通過將該架構(gòu)作為量子網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) (QNodeOS)并執(zhí)行測(cè)試程序 (包括從客戶端到服務(wù)器的委托計(jì)算-基于NV色心[1]),展示了該架構(gòu)在高級(jí)軟件中執(zhí)行應(yīng)用的能力。展示了該架構(gòu)如何通過多任務(wù)處理不同的應(yīng)用程序來最大限度地利用量子網(wǎng)絡(luò)硬件。該架構(gòu)可以用于在任何與該系統(tǒng)模型對(duì)應(yīng)的量子處理器平臺(tái)上執(zhí)行程序。該架構(gòu)為量子網(wǎng)絡(luò)編程中的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，并為可以將量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶入社會(huì)的軟件開發(fā)鋪平了道路。
研究人員設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種架構(gòu)，使其能夠在量子處理器終端節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行任意量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，這是一個(gè)顯著的挑戰(zhàn) （圖1）。同時(shí)在高級(jí)軟件中啟用編程，既不依賴于底層量子硬件，也不需要程序員了解底層設(shè)備的物理特性。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，在高級(jí)軟件中對(duì)任意互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序進(jìn)行編程的可能性導(dǎo)致不同社區(qū)實(shí)現(xiàn)了全新的通信應(yīng)用程序，這對(duì)我們的社會(huì)產(chǎn)生了變革性的影響。此外，可編程硬件和新應(yīng)用領(lǐng)域的出現(xiàn)激發(fā)了計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的新領(lǐng)域，并指導(dǎo)了進(jìn)一步的硬件開發(fā) （例如，網(wǎng)絡(luò)編程和協(xié)議、分布式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等）。 量子計(jì)算領(lǐng)域也正在進(jìn)行類似的發(fā)展，其中高級(jí)編程工具的可用性允許廣泛參與應(yīng)用程序的開發(fā)。
▲圖1：應(yīng)用范式
（量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序由多個(gè)程序組成，每個(gè)程序都在一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。終端節(jié)點(diǎn)是量子網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行用戶應(yīng)用程序的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)堆棧支持通過量子網(wǎng)絡(luò)在終端節(jié)點(diǎn)之間生成糾纏。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的不同程序只能通過以下方式進(jìn)行交互：（1） 量子通信（例如，糾纏生成）和 （2） 經(jīng)典通信。這允許程序員實(shí)現(xiàn)安全敏感的應(yīng)用程序，但禁止量子執(zhí)行的全局編排。該架構(gòu)允許使用高級(jí)量子硬件獨(dú)立軟件編寫程序，并在控制硬件依賴系統(tǒng)，例如帶有金剛石芯片的 NV 色心或囚禁離子量子節(jié)點(diǎn)）。這些平臺(tái)構(gòu)成了物理上非常不同的 QDevice 系統(tǒng)，但都可以通過該架構(gòu)進(jìn)行編程。
▲圖2：QNodeOS架構(gòu)
這是第一個(gè)允許對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序進(jìn)行高級(jí)編程和執(zhí)行的架構(gòu)。該架構(gòu)不依賴于終端節(jié)點(diǎn)之間的距離或連接性，只要網(wǎng)絡(luò)堆棧允許使用量子網(wǎng)絡(luò)在終端節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生糾纏即可。要將該系統(tǒng)部署到相隔幾公里的節(jié)點(diǎn)上，對(duì)該架構(gòu)實(shí)施的一種可能的改進(jìn)是在單個(gè)系統(tǒng)板上的兩個(gè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn) CNPU 和 QNPU，理想情況下可以相互訪問共享內(nèi)存，以避免它們通信中的毫秒級(jí)延遲。這樣的合并還將允許定義聯(lián)合經(jīng)典量子可執(zhí)行文件和進(jìn)程，從而通過更好的調(diào)度控制為減少延遲打開更多大門。該架構(gòu)還可用于將量子計(jì)算程序作為 NetQASM 子例程提交到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 QNPU 上，從而在多個(gè)量子處理器上分發(fā)量子計(jì)算程序。
代爾夫特理工大學(xué)與法國(guó)研究機(jī)構(gòu)的工作為計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的新領(lǐng)域提供了一個(gè)框架，即在量子處理器上對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序進(jìn)行編程，包括新的、實(shí)時(shí)的經(jīng)典量子過程的調(diào)度算法，量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的編譯方法或新的編程語言概念 （包括 Entanglement），以使軟件開發(fā)更加容易，從而推進(jìn)使量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛可用的愿景。
[1] NV色心（nitrogen-vacancy centres）是一種在金剛石（鉆石的原石）晶體結(jié)構(gòu)中最常見的點(diǎn)缺陷，是當(dāng)前最具代表性的量子體系。NV色心是原子級(jí)別的固態(tài)設(shè)備，擁有光學(xué)可調(diào)的自旋自由度，在固態(tài)量子處理器中發(fā)揮量子比特和量子探測(cè)器等核心功能，是重要的量子材料。
來源：Nature volume 639, pages321–328 (2025)
編譯：真真
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