由荷蘭代爾夫特理工大學、荷蘭量子技術研究所 （QuTech）、奧地利因斯布魯克大學、法國國家信息與自動化研究所和法國國家科學研究中心組成的量子互聯網聯盟 （QIA）的研究人員宣布了一項重大突破：他們開發了首個專門為量子網絡設計的操作系統——QNodeOS。這項成果發表在最新《自然》雜志上，標志著量子網絡從理論走向實用的重要一步。

未來量子網絡的目標是實現新的互聯網應用，這個目標僅使用經典通信是無法實現的。目前為止，量子網絡在量子處理器上對其應用和功能的演示，已經在特定軟件中執行，該軟件被設計為使用實驗物理學的專業知識直接在低級控制設備中執行單一任務。代爾夫特理工大學與法國研究機構共同開發了一種架構，該架構能夠在獨立于平臺的高級軟件中的量子處理器上執行量子網絡應用。他們通過將該架構作為量子網絡操作系統 (QNodeOS)并執行測試程序 (包括從客戶端到服務器的委托計算-基于NV色心[1]),展示了該架構在高級軟件中執行應用的能力。展示了該架構如何通過多任務處理不同的應用程序來最大限度地利用量子網絡硬件。該架構可以用于在任何與該系統模型對應的量子處理器平臺上執行程序。該架構為量子網絡編程中的計算機科學研究奠定了基礎，并為可以將量子網絡技術帶入社會的軟件開發鋪平了道路。

研究人員設計和實現了一種架構，使其能夠在量子處理器終端節點上執行任意量子網絡應用程序，這是一個顯著的挑戰 （圖1）。同時在高級軟件中啟用編程，既不依賴于底層量子硬件，也不需要程序員了解底層設備的物理特性。在傳統互聯網領域，在高級軟件中對任意互聯網應用程序進行編程的可能性導致不同社區實現了全新的通信應用程序，這對我們的社會產生了變革性的影響。此外，可編程硬件和新應用領域的出現激發了計算機科學研究的新領域，并指導了進一步的硬件開發 （例如，網絡編程和協議、分布式系統、物聯網等）。 量子計算領域也正在進行類似的發展，其中高級編程工具的可用性允許廣泛參與應用程序的開發。

▲圖1：應用范式

（量子網絡應用程序由多個程序組成，每個程序都在一個終端節點上運行。終端節點是量子網絡中執行用戶應用程序的設備。網絡堆棧支持通過量子網絡在終端節點之間生成糾纏。每個終端節點的不同程序只能通過以下方式進行交互：（1） 量子通信（例如，糾纏生成）和 （2） 經典通信。這允許程序員實現安全敏感的應用程序，但禁止量子執行的全局編排。該架構允許使用高級量子硬件獨立軟件編寫程序，并在控制硬件依賴系統，例如帶有金剛石芯片的 NV 色心或囚禁離子量子節點）。這些平臺構成了物理上非常不同的 QDevice 系統，但都可以通過該架構進行編程。

▲圖2：QNodeOS架構

這是第一個允許對量子網絡應用程序進行高級編程和執行的架構。該架構不依賴于終端節點之間的距離或連接性，只要網絡堆棧允許使用量子網絡在終端節點之間產生糾纏即可。要將該系統部署到相隔幾公里的節點上，對該架構實施的一種可能的改進是在單個系統板上的兩個設備上實現 CNPU 和 QNPU，理想情況下可以相互訪問共享內存，以避免它們通信中的毫秒級延遲。這樣的合并還將允許定義聯合經典量子可執行文件和進程，從而通過更好的調度控制為減少延遲打開更多大門。該架構還可用于將量子計算程序作為 NetQASM 子例程提交到每個節點的 QNPU 上，從而在多個量子處理器上分發量子計算程序。

代爾夫特理工大學與法國研究機構的工作為計算機科學研究的新領域提供了一個框架，即在量子處理器上對量子網絡應用程序進行編程，包括新的、實時的經典量子過程的調度算法，量子網絡應用程序的編譯方法或新的編程語言概念 （包括 Entanglement），以使軟件開發更加容易，從而推進使量子網絡技術廣泛可用的愿景。

[1] NV色心（nitrogen-vacancy centres）是一種在金剛石（鉆石的原石）晶體結構中最常見的點缺陷，是當前最具代表性的量子體系。NV色心是原子級別的固態設備，擁有光學可調的自旋自由度，在固態量子處理器中發揮量子比特和量子探測器等核心功能，是重要的量子材料。

來源：Nature volume 639, pages321–328 (2025)

編譯：真真