Software brengt quantum netwerkontwerp wereldwijd naar gebruikers

NetSquid, een gespecialiseerde simulator voor quantumnetwerken, is gratis beschikbaar gesteld voor niet-commerciële gebruikers. Deze software is sinds 2017 in ontwikkeling bij QuTech en is de eerste in zijn soort die tijdseffecten modelleert op basis van discrete event simulatie gebeurtenissen.

Met NetSquid kunnen onderzoekers over de hele wereld de prestaties van quantumnetwerken en modulaire quantumcomputersystemen nauwkeurig voorspellen. Dit soort simulaties zijn essentieel bij het ontwerpen van schaalbare quantumsystemen en de toepassing daarvan in radicaal nieuwe soorten computer- en communicatietechnologieën.

Een quantumnetwerk verbindt (kleine) quantumprocessors via optische kanalen met elkaar. Hierdoor kunnen quantumbits tussen de verbonden quantumapparaten worden uitgewisseld. In de toekomst zullen quantumnetwerken tot een quantum internet met elkaar worden verbonden om taken uit te voeren die op klassieke wijze niet mogelijk zijn, zoals beveiligde communicatie, kloksynchronisatie, beveiligde identificatie en quantumsensornetwerken, evenals beveiligde toegang op afstand tot quantumcomputers in de cloud.

Tijdseffecten simuleren
NetSquid (Network Simulator for Quantum Information using Discrete events) is een gebruiksvriendelijke softwaretool die inzicht geeft in de effecten van de tijd op de prestaties van quantumnetwerken en quantumcomputersystemen. De levensduur van een qubit, het quantum equivalent van een computerbit, is momenteel beperkt. Als eerste tool in zijn soort ondersteunt NetSquid het ontwerp van slimme manieren om grootschalige quantumsystemen zodanig te beheersen en te programmeren dat complexe tijdsafhankelijkheden kunnen worden beperkt. Daarnaast is NetSquid de enige software waarmee de vereisten voor het bouwen van quantumnetwerken en modulaire quantumcomputersystemen kunnen worden bepaald. Dat is een essentiële stap in het mogelijk maken van grootschalige quantumsystemen.

Gezamenlijke inspanning
NetSquid is door een interdisciplinair team bij QuTech in Delft ontwikkeld en werd in maart 2019 voor het eerst aan de onderzoeksgemeenschap gepresenteerd. Ontwikkelaar Rob Knegjens: “Het is een mooie ervaring om de resultaten van een gezamenlijke inspanning van drie jaar met onderzoekers uit de hele wereld te kunnen delen.” QuTech is een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO. Onderzoekers van QuTech hebben met NetSquid het eerste link layer-protocol voor een quantumnetwerk ter wereld ontwikkeld. NetSquid wordt ook door de Quantum Internet Alliance gebruikt, een door de EU gefinancierd project van het European Quantum Technologies Flagship, om de vereisten te bepalen voor het bouwen van een pan-Europese quantuminternetinfrastructuur.

Gebruikersgemeenschap
Toekomstige gebruikers en bètatesters worden uitgenodigd om inloggegevens te verkrijgen door zich aan te melden bij het NetSquid Community Forum. Daarna kan de software gratis worden geïnstalleerd. Online is een uitgebreide tutorial beschikbaar. Via het forum kunnen gebruikers met andere gebruikers en het NetSquid-team communiceren. Knegjens: “Wij hopen dat NetSquid een grote groep actieve gebruikers zal aantrekken.”

Modulariteit
Promovendi Tim Coopmans en Axel Dahlberg benadrukken de modulariteit van NetSquid, die het makkelijk maakt om complexe simulaties te bouwen met bouwsteentjes die snippets heten. Dahlberg: “Snippets zijn uitbreidingen voor NetSquid die specifieke functionaliteit modelleren, bijvoorbeeld om een gedetailleerd natuurkundig model te realiseren voor quantumnetwerkknooppunten op specifieke hardware, zoals stikstofholte-centra (NV-centra) in diamant.” Coopmans voegt daaraan toe: “Nieuwe snippets kunnen via een repository met sjablonen voor NetSquid worden gegenereerd. Snippets kunnen als legostenen worden gecombineerd om gemakkelijk grootschalige simulaties te bouwen en verschillende ideeën te testen.” Beide onderzoekers kijken ernaar uit om het team bij QuTech uit te breiden met mensen uit de hele wereld die snippets bijdragen aan NetSquid.

Definitieve release eind 2020 verwacht
Nu de open bètaversie is uitgebracht wordt in de tweede helft van 2020 een definitieve release verwacht. Knegjens: “We nodigen gebruikers uit om ons feedback te geven die wij in de software kunnen verwerken. Naast de bètarelease is er ook een programmeerwedstrijd met diverse prijzen om gebruikers te motiveren hun eigen snippets bij te dragen. We zullen nieuwe functies blijven ontwikkelen en uitbrengen op basis van de behoeften en gebruiksscenario’s van de community.”

Financiering
De ontwikkeling van NetSquid is gefinancierd vanuit de Samenwerkingsmiddelen Onderzoek (SMO) van de Nederlandse overheid, de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de Europese Onderzoeksraad (ERC-financieringsovereenkomst nr. 679924). NetSquid is geoptimaliseerd en uitgebreid voor gebruik binnen het consortium Quantum Internet Alliance (QIA) met financiering vanuit het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie (financieringsovereenkomst nr. 820445). QIA maakt deel uit van het European Quantum Technologies Flagship, een initiatief ter waarde van 1 miljard euro gericht op de consolidatie en uitbreiding van Europees wetenschappelijk leiderschap en topprestaties op het gebied van quantumtechnologie en de overdracht van dit onderzoek van het lab naar de markt door middel van commerciële toepassingen en disruptieve technologieën.