Des chercheurs ont mis au point le premier système d’exploitation destiné aux réseaux quantiques. Baptisé QNodeOS, il ambitionne de simplifier le développement d’applications sur ce type de réseaux interconnectant des ordinateurs quantiques.
Souvent décrite comme la prochaine révolution technologique, l’informatique quantique reste encore pour le moment cantonnée aux laboratoires de recherche. Sa démocratisation n’est pour l’instant qu’un lointain objectif, mais les briques qui permettront demain d’adopter en masse cette technologie s’assemblent peu à peu. Une équipe internationale de chercheurs de la Quantum Internet Alliance a ainsi développé le premier système d’exploitation exclusivement conçu pour les réseaux quantiques, afin de relier différents nœuds de calculs quantiques entre eux et, pourquoi pas, commencer à poser les bases de l’Internet de demain.
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QNodeOS : interconnecter des dispositifs quantiques
Jusqu’à présent, les tentatives de démonstration d’applications de réseaux quantiques se sont principalement reposées sur des solutions logicielles sur mesure, exigeant une compréhension intime des particularités de chaque plateforme matérielle et élaborées spécifiquement pour chaque configuration expérimentale particulière. Au contraire, le système d’exploitation réseau QNodeOS mis au point par les chercheurs a pour vocation de fournir une couche d’abstraction entre le matériel sous-jacent et les applications logicielles.
A l’instar des systèmes d’exploitation comme Windows, Android ou Linux qui permettent aux utilisateurs d’interagir avec un ordinateur classique sans avoir à connaître les détails du fonctionnement du processeur ou de la mémoire, QNodeOS masque la complexité du matériel quantique et des protocoles de communication sous-jacents, simplifiant considérablement le développement et l’exécution d’applications sur ce type de réseaux.
QNodeOS a toutefois été spécifiquement développé pour manipuler et coordonner des informations codées dans des qubits (ou bits quantiques) au sein d’une infrastructure réseau distribuée. Il n’est donc pas directement destiné à administrer les ressources internes d’un ordinateur quantique individuel, mais se concentre plutôt sur la gestion et la coordination des interactions entre les nœuds d’un réseau quantique. En d’autres termes, son rôle principal est de faciliter la coordination et l’échange d’informations entre divers dispositifs quantiques, afin de profiter de la puissance de calcul répartie sur plusieurs processeurs quantiques interconnectés.
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Un système d’exploitation quantique et multitâches
Entièrement programmable, QNodeOS va permettre aux développeurs de concevoir et d’exécuter des applications à un niveau d’abstraction élevé, en se concentrant sur la logique et la fonctionnalité de leurs programmes plutôt que sur les subtilités de la manipulation quantique au niveau physique. Ce système d’exploitation va donc permettre à une communauté de développeurs beaucoup plus large d’accéder à la technologie des réseaux quantiques, sans avoir besoin d’une expertise approfondie en physique quantique expérimentale pour concevoir et déployer des applications.
QNodeOS est également multitâches afin d’optimiser l’utilisation des ressources matérielles limitées des dispositifs quantiques : plusieurs applications ou tâches peuvent être exécutées simultanément sur un même nœud du réseau quantique, maximisant ainsi l’efficacité et le rendement du matériel disponible. Pour ce faire, le système d’exploitation divise chaque nœud de calcul d’un réseau quantique en trois composants logiques : une unité de traitement de réseau classique (ou CNPU), une unité de traitement de réseau quantique (QNPU) et le dispositif quantique lui-même.
Composé de matériel informatique commun (en particulier d’un processeur et d’une interface réseau), la CNPU est responsable de l’exécution du code informatique classique. Elle orchestre le démarrage des programmes, l’exécution des parties binaires du code et la communication avec les CNPU des autres nœuds du réseau. Elle peut également héberger un environnement utilisateur pour le stockage des résultats. La QNPU est quant à elle le cœur de l’exécution des blocs de code quantique. Elle interprète les instructions quantiques (initialisation des qubits, application de portes quantiques, mesures et génération d’intrication…), gère les ressources du dispositif quantique et maintient l’état d’exécution des programmes quantiques.
Le matériel quantique physique lui-même (ou QDevice) se charge de la manipulation et du stockage des qubits, de l’application des opérations quantiques et de la génération de l’intrication avec d’autres nœuds sur le réseau, tout en communiquant à la QNPU les opérations quantiques qu’il peut effectuer et le nombre de qubits disponibles. L’architecture de QNodeOS introduit enfin le concept de QDriver, c’est à dire la couche d’abstraction matérielle elle-même. Ce “pilote” est responsable de la traduction des opérations quantiques, exprimées dans un langage de programmation intermédiaire appelé NetQASM (Quantum Network Assembly Language), en séquences d’instructions physiques spécifiques au périphérique quantique sous-jacent.
Les chercheurs ont d’ores et déjà mené des démonstrations illustrant la capacité de QNodeOS à fonctionner avec différents types de matériel quantique. La prochaine étape significative consistera en l’intégration de ce système d’exploitation sur le Quantum Network Explorer de QuTech, un démonstrateur de réseau quantique conçu pour offrir un accès plus large à cette technologie.
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Source :
QuTech