Ein internationales Team mit Beteiligung der Forschungsgruppe um Tracy Northup von der Universität Innsbruck hat das erste Betriebssystem für Quantennetzwerke entwickelt: Q-Node-OS. Das in Nature veröffentlichte Protokoll ist ein wichtiger Schritt von theoretischen Konzepten für Quantennetzwerke zu ihrer praktischen Umsetzung, die die Zukunft des Internets verändern könnte. „Mit unserer Forschung wollen wir die Quantennetzwerk-Technologie für alle zugänglich machen. Mit Q-Node-OS kommen wir diesem Ziel einen großen Schritt näher. Es ist nun zum ersten Mal möglich, Anwendungen auf einem Quantennetzwerk einfach zu programmieren und auszuführen“, sagt Stephanie Wehner, Professorin für Quanteninformatik am Quantenforschungsinstitut Qu-Tech der TU Delft, die die Studie leitete. „Unsere Arbeit schafft auch die Basis für völlig neue Forschungsbereiche in der Quanteninformatik.“
Hürden für EntwicklerInnen senken
Die Tatsache, dass sich Computer-Hardware wie Laptops oder Telefone sehr einfach programmieren lassen, hat unsere Welt verändert und die Entwicklung einer breiten Palette von Anwendungen ermöglicht. „Unser Betriebssystem ist wie die Software auf Ihrem Computer zu Hause: Sie müssen nicht wissen, wie die Hardware funktioniert, um sie zu benutzen“, sagt Mariagrazia Iuliano, Doktorandin am QuTech. Indem das Betriebssystem Netzwerkhardware und -software miteinander verbindet, wird es EntwicklerInnen ermöglicht, Anwendungen sehr einfach und über ein breites Spektrum von Hardwarelösungen hinweg zu programmieren, wodurch der Weg für die Entwicklung von Software geebnet wird, die die Quantennetzwerk-Technologie in die Anwendung bringen kann.
Vollständig programmierbares Betriebssystem
Das Q-Node-OS genannte Quantennetzwerk-Betriebssystem ist vollständig programmierbar, d.h. Anwendungen können direkt ausgeführt werden, so wie auf klassischen Betriebssystemen wie Windows oder Android. Im Gegensatz zu früheren Systemen, die eine für jeden Versuchsaufbau spezifische Kodierung erforderten, ermöglicht Q-Node-OS den einfachen Betrieb von Quantenprozessoren in einem Netzwerk, unabhängig von der verwendeten Hardware-Plattform. „Eine solche Softwarearchitektur, die es für Quantennetzwerke bisher nicht gab, ermöglicht es den EntwicklerInnen, sich auf die Anwendungslogik und nicht auf die Hardwaredetails zu konzentrieren“, erklärt Bart van der Vecht, Doktorand bei QuTech. „Das macht es einfacher, neue Arten von Anwendungen zu entwickeln, von denen wir uns einige heute vielleicht noch gar nicht vorstellen können.“
Kompatibel mit unterschiedlichen Hardware-Typen
Anwendungen für Quantennetzwerke unterscheiden sich von solchen, die auf einem Quantencomputer laufen, und stellen die ForscherInnen vor eigene Herausforderungen. Im Gegensatz zu Quantencomputern, auf denen einzelne Programme laufen, müssen bei Anwendungen für Quantennetzwerke verschiedene Programme unabhängig voneinander auf unterschiedlichen Netzwerkknoten ausgeführt werden – etwa eine Client-App auf dem Mobiltelefon und ein Server in der Cloud. Diese Programme müssen sich über Nachrichten und mittels Quantenverschränkung – jene Eigenschaft, die Quantennetzwerken ihre Leistungsfähigkeit verleiht – untereinander abstimmen. Q-Node-OS löst die Herausforderungen, die durch diese unterschiedlichen Ausführungsparadigmen entstehen.
Die ForscherInnen zeigen in der nun veröffentlichten Arbeit, dass Q-Node-OS mit mehreren Arten von Quantenhardware arbeiten kann, indem sie es mit zwei sehr unterschiedlichen Quantenprozessoren getestet haben. „Unsere Prozessoren mit gefangenen Ionen arbeiten grundlegend anders als jene, die auf Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant basieren. Aber wir konnten zeigen, dass Q-Node-OS mit beiden arbeiten kann“, erklärt Tracy Northup, Professorin an der Universität Innsbruck.
Die Zukunft der Quantennetzwerke
Die Entwicklung von Q-Node-OS vereint ExpertInnen aus Physik, Informatik und Ingenieurwesen und ist ein wichtiger Schritt in der Mission der Quantum Internet Alliance (QIA), ein skalierbares und nützliches Quantennetzwerk aufzubauen, das reale Anwendungen unterstützen kann. Das Betriebssystem bildet die Basis für die weitere Erforschung und Erprobung von Quantennetzwerken. QIA ist eine europäische Forschungsinitiative, die sich den Aufbau des weltweit ersten vollständigen Quanteninternet-Prototyps anstrebt. Durch die Weiterentwicklung von Technologien für die Quantenkommunikation, einschließlich Quanten-Repeatern und Endknoten, will das internationale Forschungsteam Quantensysteme integrieren, um ein skalierbares, globales Quanteninternet zu schaffen. Mit Unterstützung der Europäischen Union bringt QIA mehr als 40 führende akademische, industrielle und Forschungsorganisationen zusammen, die alle auf das Ziel hinarbeiten, bis 2030 ein funktionierendes Quanteninternet zu realisieren.
