Квантовые компьютеры долгое время работали с серьезным ограничением: они могли выполнять только одну программу за раз. Эти машины стоимостью в миллионы долларов требовали эксклюзивного доступа даже для самых простых задач, оставляя большую часть их мощного «железа» без дела и заставляя ученых простаивать в очередях.

Исследователи из Columbia Engineering разработали систему HyperQ, которая позволяет нескольким пользователям одновременно работать на одном квантовом компьютере через изолированные квантовые виртуальные машины (qVM). Это серьезный шаг к практическому использованию квантовых вычислений — теперь они станут доступнее, эффективнее и удобнее.

Квантовая виртуальная машина (qVM) — изолированная среда на квантовом процессоре, которая ведет себя как отдельный компьютер. Позволяет запускать программы, не мешая другим, даже если они работают на том же «железе».

HyperQ — это как облачная виртуализация, но для квантовых компьютеров, — говорит Джейсон Ни, профессор компьютерных наук. — Теперь одна машина может выполнять несколько задач сразу — без конфликтов и очередей.

Раньше квантовые компьютеры работали по принципу «один пользователь — одна задача». HyperQ меняет это: система анализирует потребности каждой программы и распределяет ресурсы так, чтобы несколько вычислений шли параллельно, не мешая друг другу.

Это работает как в классических облачных серверах, которые увеличили эффективность вычислений. Теперь то же самое возможно и в квантовых системах — больше пользователей, меньше ожидания, выше производительность.

Исследование под руководством Ни и Руи Гу представлено на симпозиуме OSDI '25 в Бостоне.

Как это устроено

HyperQ — это программный слой (гипервизор), который делит физический квантовый компьютер на несколько изолированных виртуальных машин. Планировщик, как опытный игрок в тетрис, упаковывает задачи так, чтобы они выполнялись одновременно на разных участках процессора.

Прототип HyperQ тестировали на квантовых компьютерах IBM. Это первая система, которая реально позволяет делить квантовые ресурсы между разными пользователями.

Раньше для этого нужны были специальные компиляторы, и все программы приходилось готовить заранее, — объясняет Рунчжоу Тао, ведущий автор исследования. — Наш подход работает динамически и совместим с существующими инструментами — это гораздо удобнее.

Что это дает

• Очереди сократились в 40 раз — если раньше ждали дни, теперь хватает часов.
• Количество выполняемых программ выросло в 10 раз.
• Точность вычислений повысилась, потому что система избегает «шумных» участков чипа.

Где это пригодится

• Облачные провайдеры  (IBM, Google, Amazon) смогут обслуживать больше клиентов без дополнительных затрат.
• Ученые и инженеры быстрее получат доступ к квантовым вычислениям — это ускорит разработку лекарств, новых материалов и энергоэффективных технологий.

Теперь команда планирует адаптировать HyperQ для других типов квантовых компьютеров, чтобы технология работала везде, независимо от архитектуры.

Больше не нужно ждать, пока один человек закончит работу, — говорит Тао. — Ресурсы можно делить.

HyperQ решает две ключевые проблемы квантовых вычислений:

1. Дороговизна — один компьютер стоит миллионы, а простаивает большую часть времени. Теперь его загрузка вырастет в разы.
2. Доступность — ученые и компании тратят недели на ожидание своей очереди. С HyperQ это сократится до часов.

Где это применимо уже сейчас:

• Фармацевтика — ускорение моделирования молекул для новых лекарств.
• Материаловедение — поиск сверхпроводников или более эффективных батарей.
• Криптография — тестирование алгоритмов на устойчивость к квантовым атакам.

Пока квантовые компьютеры остаются нишевыми, но HyperQ делает их ближе к массовому использованию.

Главный вопрос — насколько надежно изолированы qVM. Квантовые вычисления крайне чувствительны к шумам и ошибкам. Если задачи будут влиять друг на друга, результаты окажутся некорректными. В статье нет данных о частоте сбоев при параллельной работе. Также неясно, как HyperQ поведет себя на более сложных алгоритмах, где требуется весь чип.

Ранее ученые упростили создание квантовых компьютеров.