Bilim insanları, kuantum bilgisayarlar üzerinde ilk kez birden fazla kullanıcının aynı anda program çalıştırmasına olanak tanıyan yeni bir bilişim teknolojisi geliştirdi. HyperQ adı verilen bu yenilikçi sanallaştırma teknolojisi, kuantum bilgisayarın fiziksel donanımını birden fazla izole kuantum sanal makineye (qVM) bölerek iş yüklerini dengeleme yeteneği sunuyor. Akıllı bir zamanlayıcı ise bu sanal makineleri yönetiyor.
Columbia Üniversitesi tarafından yapılan açıklamada, bu zamanlayıcının birden fazla qVM'yi tek bir makinenin farklı bölümlerine aynı anda sığdırmak için adeta bir "Tetris ustası" gibi çalıştığı belirtildi. Sonuç olarak, tek bir kuantum bilgisayarın farklı uygulamaları çalıştıran birden fazla kullanıcıyı desteklemesi mümkün hale geliyor. Araştırmacılar, bulgularını 19. USENIX İşletim Sistemi Tasarımı ve Uygulaması Sempozyumu'nda (OSDI '25) yayınladılar.
Araştırmanın ortak yazarlarından ve Columbia Mühendislik Fakültesi bilgisayar bilimi profesörü Jason Nieh, "HyperQ, kuantum bilişime bulut benzeri sanallaştırmayı getiriyor. Tek bir makinenin aynı anda birden fazla programı çalıştırmasına, müdahale olmadan ve bekleme sırası olmadan olanak tanıyor," ifadelerini kullandı.
Sanallaştırma ile Verimlilik Artışı
Klasik bilgisayarların aksine, kuantum bilgisayarların geliştirme ve işletme maliyetleri oldukça yüksek. Küçük ölçekli bir kuantum bilişim sisteminin araştırma ve geliştirme maliyetlerinin 10 ila 15 milyon dolar arasında olduğu tahmin ediliyor. Bunun yanı sıra yıllık bakım masrafları da bir milyon doları aşabiliyor.
Bu yüksek maliyetlere rağmen, kuantum bilgisayarlar genellikle tek kullanıcılı işlemleri desteklemekle sınırlı kalıyor. Bunun temel nedeni ise kuantum bilgisayarların temelini oluşturan kübitlerin (klasik bilgisayar bitlerinin kuantum karşılığı) doğası gereği birbirine sıkı sıkıya bağlı olması.
Araştırmacılar, bu teknoloji için modern bulut bilişim hizmetlerini (Amazon Web Services ve Microsoft Azure gibi) güçlendiren sanallaştırma teknolojisinden ilham aldılar. Klasik bilişimde sanal makinelerde (VM) kullanılan hipervizör veya Sanal Makine Monitörü gibi bir yazılım katmanı, bireysel VM'lere kullanılmayan kaynakları tahsis ederek bu makinelerin birbirinden tamamen bağımsız çalışmasını sağlıyor.
Ancak kuantum ortamında, sinyaldeki "gürültünün" tüm sisteme yayılma potansiyeli gibi faktörler dikkate alınması gerekiyor. HyperQ, bu sorunu her bir qVM'yi, devre dışı kalan ve böylece gürültülü "çapraz etkileşimin" potansiyelini ortadan kaldıran bir kübit "tamponu" ile izole ederek aşıyor.
Makalenin baş yazarı ve Columbia'nın Yazılım Sistemleri Laboratuvarı'nda doktora öğrencisi olan Runzhou Tao, "Önceki çabalar özel derleyiciler gerektiriyor ve hangi programların bir arada çalışacağını önceden bilmek gerekiyordu. Bizim yaklaşımımız, mevcut kuantum programlama araçlarıyla dinamik olarak çalışıyor, bu da gerçek dünya kullanımı için çok daha esnek ve pratik," dedi.
Dinamik Çoklu Programlama
Kuantum programları genellikle kübitlerin öngörülebilir bir deseni üzerinden yürütülür. Araştırmacılara göre HyperQ, her kullanıcı isteği için optimum zaman dilimlerini belirleyerek, hangi kübitlerin her istek için gerekli olacağını ve ne kadar süreyle aktif kalacaklarını tespit ederek kaynakları hem zaman hem de alan açısından tahsis ediyor.
Bu durum basit bir eşzamanlı zamanlama görevi gibi görünse de, önceki makine yönetim sistemleri kullanıcıların sıraya girmesini ve sistemin isteklerini yürütme için önceden derlemesini gerektiriyordu. HyperQ, "dinamik çoklu programlama" adı verilen bir konsepti tanıtarak, kullanımın kolaylaştırılmasını sağlıyor; programların farklı boyutlardaki qVM'ler için bağımsız olarak derlenmesine izin veriliyor.
Ekip, HyperQ yazılım katmanını IBM'in Brisbane kuantum bilgisayarı üzerinde test etti. Bu bilgisayar, Eagle yonga setine dayalı 127 kübitlik bir kapı tabanlı sistemdir. Araştırmaya göre HyperQ, ortalama kullanıcı bekleme sürelerini 40 katına kadar azaltarak proje tamamlama sürelerini "günlerden sadece saatlere" indirdi. Ayrıca çalıştırılan kuantum programlarının sayısında on kata kadar artış sağladı.
Ekip, gelecekte HyperQ'yu IBM dışındaki üreticilerin ürettiği makineler de dahil olmak üzere tüm kuantum bilişim mimarilerinde işlev görecek şekilde genişletmeyi planlıyor.
