„Kvantiniai kompiuteriai įgijo galingas abstrakcijas, kurios leidžia klasikinių kompiuterių programuotojams kurti ir integruoti naujas programas ir aparatinę įrangą bei lengvai prijungti įrenginius prie tinklų.
Abstrakcijos yra dinamiškos informacinių ir ryšių technologijų ekosistemos pagrindas. Galite jas laikyti leidžiančiomis vairuoti automobilį nesuprantant, kaip veikia variklis ar transmisijos sistema. Daugumai vairuotojų automobilis yra tik dėžė su vairu, pedalais ir pavarų perjungimo svirtimi. Ar tai, tarkime, visiškai elektrinė transporto priemonė, ar modelis su įprastu varikliu, iš esmės nesvarbios.
Skaitykite straipsnį: Operacinė sistema programoms vykdyti kvantinio tinklo mazguose
Skaičiavimo srityje abstrakcijos, taikomos kuriant operacines sistemas ir sąsajas, reiškia, kad įmonei ar tyrimų grupei nereikia perkonfigūruoti kompiuterio procesoriaus tranzistorių ar kurti visiškai naujo sąsajos su internetu būdo, kad įgyvendintų novatorišką idėją. Vietoj to, kūrėjai gali tiesiog įjungti savo inovaciją į jau esamas, standartizuotas schemas.
Tačiau tai, kas pasakytina apie įprastus, klasikinius kompiuterius, iki šiol nebuvo pritaikyta potencialiai vienai iš, labiausiai proveržį keliančių, informacinių technologijų inovacijų – kvantiniams kompiuteriams. Tai pasikeitė su Delle Donne ir kt. darbu.1 Autoriai pristato abstrakcijų ir standartizuotų sąsajų rinkinį, skirtą kvantinėms programoms, paskirstytoms įvairiuose įrenginiuose kvantiniame tinkle, paleisti. Tai didelis žingsnis į priekį, palyginti su ankstesniais kvantinių tinklų bandymų diegimais2, kuriems reikėjo individualios aparatinės ir programinės įrangos, pritaikytos kiekvienai konkrečiai sąrankai. Šiuo metu rato nereikia kaskart išradinėti iš naujo.
„Kvantinio interneto“ demonstracija miestuose yra pažangiausia iki šiol
Norėdami šiek tiek geriau suprasti abstrakcijų svarbą kompiuterijoje, ženkime žingsnį atgal. Galutinis klasikinio kompiuterio – ar tai būtų išmanusis telefonas, nešiojamas kompiuteris, duomenų centro serveris ar žaidimų konsolė – vartotojas paprastai paleis tokias programas kaip pranešimų siuntimo ar teksto apdorojimo programos, žiniatinklio serveriai ar žaidimai. Tačiau šios programos tiesiogiai nesąveikauja su aparatine įranga. Vietoj to, jos remiasi operacine sistema, kad užtikrintų supaprastintą, vienodą sąsają su tokiais ištekliais kaip centrinis procesorius, darbinė atmintis ir periferiniai įrenginiai, tokie kaip standieji diskai ar internetinės kameros.
Proceso abstrakcijos idėja yra pagrindinė bet kurios operacinės sistemos projektavimui (1a pav.). Operacinei sistemai nerūpi jos vykdomų programų vidinės detalės ar jų veiksmai: tai tik „juodosios dėžės“ procesai, kurie su ja sąveikauja vienodai. Panašiai kiekviena programa veikia „nežinant“ apie jokią kitą programą, tarsi ji turėtų išskirtinę aparatinės įrangos kontrolę. Procesų abstrakcija – tai, kaip šiuolaikinės operacinės sistemos leidžia atlikti daugiaprogramį darbą, paleisti kelias programas kaip vienu metu vykstančius procesus, joms netrukdant viena kitai.
Net pati operacinė sistema tiesiogiai nesąveikauja su aparatine įranga, bet tai daro per specializuotus programinės įrangos modulius, vadinamus tvarkyklėmis. Šios tvarkyklės yra kita abstrakcija: jos siūlo standartizuotą sąsają, leidžiančią operacinių sistemų kūrėjams palaikyti įvairias aparatinės įrangos technologijas – nesvarbu, ar tai senas magnetinis kietasis diskas, ar modernus kietojo kūno diskas – neperrašant pagrindinės programinės įrangos, o tiesiog pridedant naują tvarkyklės modulį. Tai yra „įgyvendinimo izoliacijos“ principas, atsiradęs septintajame dešimtmetyje, kai didieji kompiuteriai, kurie iš pradžių buvo sukurti vienai užduočiai atlikti, pradėjo vystytis į modernias daugiaprogrames mašinas. Transformaciją lėmė Denniso Ritchie ir Keno Thompsono „Bell Labs“ pristatytos pamatinės koncepcijos. jų UNIX operacinę sistemą, kuri ir toliau formuoja šiandienos kompiuteriją3.
DI ir kvantinių skaičiavimų mišinys: ar jis sukels revoliuciją moksle?
Programos, kurioms reikia bendrauti tinkle, naudoja kitą svarbią abstrakciją: tinklo lizdus. Kaip elektros lizdas jungia įrenginius prie elektros tinklo, taip tinklo lizdai leidžia programoms siųsti ir gauti duomenis internetu, nepriklausomai nuo pagrindinės tinklo perdavimo technologijos, nesvarbu, ar tai šviesolaidis, variniai kabeliai ar belaidžiai ryšiai.
Kvantiniai skaičiavimai ir kvantinės komunikacijos neseniai padarė didelę pažangą, sukeldamos lūkesčius, kad tinklinių kvantinių įrenginių internetas gali būti neišvengiamas (o galbūt ne). Tačiau kvantinės technologijos veikia pagal iš esmės skirtingus principus nei tie, kurie suteikė formą šiuolaikinėms skaičiavimo sistemoms ir tinklo protokolams. Skirtingai nuo klasikinių bitų, kvantinių bitų (kubitų) negalima laisvai kopijuoti ar bendrinti dėl kvantinės mechanikos ypatybės, vadinamos neklonavimo teorema. Be to, nuotolinė kvantinių kompiuterių sąveika priklauso nuo susietumo. Tai reiškinys, neturintis tiesioginio klasikinio atitikmens, kai operacijos su vienu kubitu akimirksniu paveikia kitą, net ir per atstumą4.
Dėl šių skirtumų reikia naujų abstrakcijų, kurios vis dar būtų tokios pat intuityvios ir lanksčios, kaip ir sukurtos klasikiniams skaičiavimams. Delle Donne ir kolegų sukurta operacinė sistema QNodeOS1 yra teorinis ir eksperimentinis karkasas, teikiantis šias funkcijas tinkliniams kvantiniams kompiuteriams (1b pav.). QNodeOS programoje programa susideda iš susipynusių kvantinių ir klasikinių procedūrų arba blokų. Ši architektūra leidžia kūrėjams naudoti kvantinio skaičiavimo išteklius tik tada, kai to reikia, o įprastus skaičiavimus perkelti klasikinėms sistemoms.
Kvantinis internetas atsirado (ir dar neatėjo)
Kvantiniame bloke kūrėjai gali atlikti vietines operacijas kvantinio apdorojimo įrenginyje arba užmegzti ryšį su nuotoliniais kubitais per kvantinio tinklo apdorojimo įrenginį (QNPU). Panašiai kaip interneto protokolo stekas, kuris reguliuoja prieigą prie interneto klasikiniuose tinkluose, QNPU abstrahuoja kvantinės komunikacijos sudėtingumą, siūlydamas kūrėjams kvantinius lizdus su vienodu operacijų rinkiniu, nepriklausomu nuo pagrindinių tinklo technologijų. Be to, išlaikomas įgyvendinimo izoliacijos principas: QNPU tiesiogiai nepasiekia kvantinio tinklo įrangos, o sąveikauja per kvantinius įrenginius. Kiekvienas iš jų turi savo tvarkyklę – pati savaime abstrahuotą – leidžiančią naudoti skirtingas pagrindines technologijas.
Siekdami patvirtinti savo metodą, autoriai pademonstravo paprastą, tačiau reprezentatyvią tinklo taikymą: deleguotą kvantinį skaičiavimą, kuriame užduotis padalijama tarp dviejų kvantinių kompiuterių. Tai apėmė susietų kubitų poros, paskirstytos dviejuose kvantinio tinklo mazguose, generavimą – tai kvantinės teleportacijos pirmtakas – kubito būsenos perkėlimas tarp dviejų mazgų, ją sunaikinant viename ir atkuriant kitame. Susietinimų generavimas tapo įmanomas įdiegus kvantinius lizdus – abstrakciją, leidžiančią sklandžiai bendrauti kvantu. „QNodeOS“ taip pat gali valdyti kelių kvantinių programų vienu metu vykdomą vykdymą tame pačiame kvantiniame kompiuteryje per procesų planuoklį. Šių abstrakcijų nepriklausomumas nuo aparatinės įrangos buvo pademonstruotas įdiegiant „QNodeOS“ dviejuose skirtinguose kvantiniuose procesoriuose: vienas naudoja azoto laisvų vietų centrus deimantuose5, kitas – įstrigusių jonų sistemą, pagrįstą vienu kalcio atomu6.
Niekas negali tiksliai pasakyti, ar „QNodeOS“ taps „naująja UNIX“. Abstrakcijų ir sąsajų sėkmė labai priklauso nuo to, kaip gerai jos atitinka pagrindinių programų poreikius – tai labai neaišku šiame ankstyvajame kvantinių skaičiavimų etape. Tačiau „QNodeOS“ yra žingsnis teisinga linkme ir gali padėti kvantiniams skaičiavimams bei tinklams pereiti į naują brandos etapą. Nustatydami standartizuotas abstrakcijas, tyrėjai ir inžinieriai gali paspartinti pažangą, atkartodami transformacinį poveikį, kurį klasikinės skaičiavimo ir tinklų abstrakcijos turėjo technologijoms, pramonei ir visuomenei.“ [1]
1. Nature 639, 312-313 (2025) By Claudio Cicconetti
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą