QNodeOS: Ein Betriebssystem für Quantennetzwerke

Ein internationales Team mit Beteiligung der Forschungsgruppe um Tracy Northup von der Universität Innsbruck hat das erste Betriebssystem für Quantennetzwerke entwickelt: QNodeOS. Das in Nature veröffentlichte Protokoll ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem funktionierenden Quanteninternet, das bis 2030 realisiert werden soll. Dieser Mission hat sich die Quantum Internet Alliance (QIA) verschrieben, eine europäische Forschungsinitiative, an der sich mehr als 40 führende akademische und industrielle Forschungsorganisationen beteiligen.

Quantennetzwerke könnten die Zukunft des Internets verändern. „Mit unserer Forschung wollen wir die Quantennetzwerk-Technologie für alle zugänglich machen. Mit QNodeOS 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 QuTech der TU Delft, die die Studie leitete. „Unsere Arbeit schafft auch die Basis für völlig neue Forschungsbereiche in der Quanteninformatik.“

Indem das Betriebssystem Netzwerkhardware und -software miteinander verbindet, wird es Entwicklern 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.

Das QNodeOS 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 QNodeOS den einfachen Betrieb von Quantenprozessoren in einem Netzwerk, unabhängig von der verwendeten Hardware-Plattform.

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. QNodeOS löst die Herausforderungen.

Publikation: An operating system for executing applications on quantum network nodes. Carlo Delle Donne et.al. Nature 2025 DOI: 10.1038/s41586-025-08704-w[arXiv: 2407.18306]