由荷兰代尔夫特理工大学、荷兰量子技术研究所（QuTech）、奥地利因斯布鲁克大学、法国国家信息与自动化研究所和法国国家科学研究中心组成的量子互联网联盟（QIA）的研究人员宣布了一项重大突破：他们开发了首个专门为量子网络设计的操作系统——QNodeOS。这项成果发表在最新《自然》杂志上，标志着量子网络从理论走向实用的重要一步。
未来量子网络的目标是实现新的互联网应用，这个目标仅使用经典通信是无法实现的。目前为止，量子网络在量子处理器上对其应用和功能的演示，已经在特定软件中执行，该软件被设计为使用实验物理学的专业知识直接在低级控制设备中执行单一任务。代尔夫特理工大学与法国研究机构共同开发了一种架构，该架构能够在独立于平台的高级软件中的量子处理器上执行量子网络应用。他们通过将该架构作为量子网络操作系统(QNodeOS)并执行测试程序(包括从客户端到服务器的委托计算-基于NV色心[1]),展示了该架构在高级软件中执行应用的能力。展示了该架构如何通过多任务处理不同的应用程序来最大限度地利用量子网络硬件。该架构可以用于在任何与该系统模型对应的量子处理器平台上执行程序。该架构为量子网络编程中的计算机科学研究奠定了基础，并为可以将量子网络技术带入社会的软件开发铺平了道路。
研究人员设计和实现了一种架构，使其能够在量子处理器终端节点上执行任意量子网络应用程序，这是一个显著的挑战（图1）。同时在高级软件中启用编程，既不依赖于底层量子硬件，也不需要程序员了解底层设备的物理特性。在传统互联网领域，在高级软件中对任意互联网应用程序进行编程的可能性导致不同社区实现了全新的通信应用程序，这对我们的社会产生了变革性的影响。此外，可编程硬件和新应用领域的出现激发了计算机科学研究的新领域，并指导了进一步的硬件开发（例如，网络编程和协议、分布式系统、物联网等）。量子计算领域也正在进行类似的发展，其中高级编程工具的可用性允许广泛参与应用程序的开发。
▲图1：应用范式
（量子网络应用程序由多个程序组成，每个程序都在一个终端节点上运行。终端节点是量子网络中执行用户应用程序的设备。网络堆栈支持通过量子网络在终端节点之间生成纠缠。每个终端节点的不同程序只能通过以下方式进行交互：（1） 量子通信（例如，纠缠生成）和 （2） 经典通信。这允许程序员实现安全敏感的应用程序，但禁止量子执行的全局编排。该架构允许使用高级量子硬件独立软件编写程序，并在控制硬件依赖系统，例如带有金刚石芯片的 NV 色心或囚禁离子量子节点）。这些平台构成了物理上非常不同的 QDevice 系统，但都可以通过该架构进行编程。
▲图2：QNodeOS架构
这是第一个允许对量子网络应用程序进行高级编程和执行的架构。该架构不依赖于终端节点之间的距离或连接性，只要网络堆栈允许使用量子网络在终端节点之间产生纠缠即可。要将该系统部署到相隔几公里的节点上，对该架构实施的一种可能的改进是在单个系统板上的两个设备上实现 CNPU 和 QNPU，理想情况下可以相互访问共享内存，以避免它们通信中的毫秒级延迟。这样的合并还将允许定义联合经典量子可执行文件和进程，从而通过更好的调度控制为减少延迟打开更多大门。该架构还可用于将量子计算程序作为 NetQASM 子例程提交到每个节点的 QNPU 上，从而在多个量子处理器上分发量子计算程序。
代尔夫特理工大学与法国研究机构的工作为计算机科学研究的新领域提供了一个框架，即在量子处理器上对量子网络应用程序进行编程，包括新的、实时的经典量子过程的调度算法，量子网络应用程序的编译方法或新的编程语言概念（包括 Entanglement），以使软件开发更加容易，从而推进使量子网络技术广泛可用的愿景。

[1] NV色心（nitrogen-vacancy centres）是一种在金刚石（钻石的原石）晶体结构中最常见的点缺陷，是当前最具代表性的量子体系。NV色心是原子级别的固态设备，拥有光学可调的自旋自由度，在固态量子处理器中发挥量子比特和量子探测器等核心功能，是重要的量子材料。

来源：Nature volume 639, pages321–328 (2025) http‍s://www.nature.com/articles/s41586-025-08704-w

编译：真真

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