시스코, 양자 네트워크의 제어 계층에 주목하다

Cisco Networks는 자사의 Outshift R&D 및 인큐베이터 유닛을 통해 수년 동안 양자 컴퓨팅에 필요한 네트워크 아키텍처를 구축해 왔다. 회사는 양자 환경을 확장한다는 것이 단순히 애플리케이션을 구동할 방대한 수의 큐비트(qubits)를 처리하기 위한 더 큰 시스템을 만드는 것만을 의미하지 않는다고 믿는다. 확장은 또한 고전 컴퓨팅(classical computing) 대응물과 유사하게 분산되고 클라우드와 같은 아키텍처를 만들기 위해 양자 컴퓨터들을 네트워크로 연결하는 것을 필요로 할 것이다.

요컨대, 이는 단순히 규모를 키우는 것(scaling up)보다는 확장하는 것(scaling out)에 관한 문제이다.

작년 초, Outshift 그룹은 양자 네트워킹 스택(quantum networking stack)(아래) 구축을 담당했으며, 이후 2025년에 대거리에서 광자(photons)의 얽힌 쌍(entangled pairs)을 생성하여 작동하는 자사의 양자 네트워크 엔탱글링 칩 프로토타입을 공개했다. 이러한 얽힘은 고전 비트(classical bits) 정보로는 구현할 수 없으며, 양자 시스템을 매우 빠르고 강력하게 만드는 핵심 요소이다.

4월에 시스코는 범용 양자 스위치(Universal Quantum Switch)의 작동 프로토타입을 소개했다. 이 장치는 서로 다른 벤더가 만든 것뿐만 아니라 초전도체(superconducting), 포토닉스(photonics), 중성 원자(neutral atoms), 트랩드 아이온(trapped ions)과 같은 다양한 양식(modalities)을 사용하는 양자 센서 및 양자 시스템들을 연결하도록 설계되었다.

이제 시스코는 양자 네트워크 자체를 확장하는 데 필요한 도구들을 끌어모으고 있다. 이번 달 Cisco의 Quantum Summit에서 회사는 '양자 네트워크 컨트롤러(Quantum Network Controller)'를 발표했다. 이는 현재 수동으로 수행되는 작업을 자동화하여, 범용 양자 스위치가 가능하게 하는 모든 연결(any-to-any connections)의 기계 속도를 따라잡을 수 있도록 필요한 제어 계층(control layer)을 제공하는 또 다른 연구 프로토타입이다.

Outshift의 선임 부사장인 Vijoy Pandey는

Cisco Research의 책임자인 Ramana Kompella에 따르면 문제는 현재 양자 개발이 비교적 초기 단계이기 때문에 많은 작업이 여전히 사람들에 의해 이루어진다는 것입니다. 네트워크 수요가 커지면 이는 지속되기 어려울 것입니다.

Kompella는 The Next Platform과의 인터뷰에서 “오늘날 우리가 보는 양자 네트워크들은 매우 지점 간(point-to-point)으로, 수동으로 연결되고 구성되어 있다”고 말합니다. “실제로 기계 속도로 애플리케이션 규모의 요청이 들어와서 본질적으로 ‘나는 이 노드와 저 노드를 얽히게 할 수 있기를 원해’라고 하는 순간, 그것이 바로 네트워크의 힘입니다. 모든 노드는 제대로 된 얽힘(entanglements)을 교환하기를 원할 것이므로, 만약 이러한 요청들이 기계 속도로 들어온다면, 사람의 방식으로 패브릭(fabric)을 구성하고 재구성하는 것은 확장성이 없습니다. 이것이 바로 규모에 맞춰 작동하며 기계 속도로 운영될 수 있는 제어 평면(control plane)이 필요한 이유이며, 여기서 컨트롤러가 역할을 하게 됩니다.”

전통적인 시스템은 이미 작업을 자동화하고 리소스를 관리하며, API를 노출하는 등 다른 동작을 위해 컨트롤러를 사용하지만, 이들은 결정론적(deterministic)입니다. 즉, 실행 타이밍, 작업 스케줄링 및 기타 단계가 예측 가능하고 반복적입니다. Cisco의 양자 연구 책임자이자 Quantum Labs의 리자 네자바티(Reza Nejabati)는 양자가 다르고 더 복잡한 영역이라고 말합니다. 그것은 확률론적이며, 짧은 수명 주기의 결맞음 시간(coherence times)을 가진 큐비트(qubits)를 가지고 있으며, 손실(loss), 충실도(fidelity), 동기화(synchronization) 및 시스템 성능과 같은 다양한 요인들이 작업의 성공 또는 실패를 결정합니다. Nejabati에 따르면 Cisco는 애플리케이션 개발자들이 양자의 복잡성으로부터 보호받을 수 있도록 목표하고 있습니다.

Cisco의 컨트롤러는 추상화 계층(abstraction layer) 역할을 하여 Pandey가 말한 엔탱글먼트-서비스로서의 모델(Entanglement-as-a-Service model)을 제공하며, 스위치부터 검출기(detectors), 타이밍 시스템에 이르기까지 모든 것에 대한 API를 노출합니다. 애플리케이션은 필요한 종단점 충실도(endpoints fidelity), 비율(rate), 충실도(fidelity), 타이밍을 지정하여 엔탱글먼트를 요청할 수 있으며, 컨트롤러는 수요를 처리하기 위해 연결을 스케줄링합니다. 이후 링크의 품질을 보장하고, 미리 정의된 튜닝을 사용하며, 성능이 저하되면 작업을 재시도하거나 다시 초기화합니다.

컨트롤러는 또한 양자 시스템과 그 다양한 양식(modalities)들이 네트워크에 연결할 수 있도록 허용합니다. Cisco에게 있어 IBM 등 다른 회사들과 마찬가지로 선택되는 양식은 초전도체(superconducting)입니다.

“우리는 모든 것이 Cisco에 의해 구축될 것이라고 생각하고 싶지만, 현실은 여러 공급업체에서 오는 많은 다양한 구성 요소들로 작업하게 될 것입니다,” Kompella가 말합니다. “이것의 목표 중 하나는 매우 다른 유형의 장치들을 온보딩(onboarding)하는 것과 관련된 복잡성을 숨기고 이 모든 복잡성을 애플리케이션으로부터 보호하려는 것입니다. 이것이야말로 미래에 양자 네트워크를 실제로 확장 가능하게 운영할 수 없었던 정말 부족한 부분입니다.”

Cisco의 또 다른 단계는 네트워크 인식 양자 컴파일러(Network-Aware Quantum Compiler)입니다. 조직들은 애플리케이션이 컨트롤러(아래 참조)와 통합하고 통신할 수 있도록 필요로 합니다.

“우리가 다루는 첫 번째 애플리케이션은 분산 양자 컴퓨팅 컴파일러(distributed quantum computing compiler)인데, 이것은 효과적으로 큰 회로를 가져와 더 작은 조각들로 나누고, 이 컨트롤러의 도움을 받아 엔탱글먼트를 적절한 시간에 분배하여 부분 계산된 상태가 실제로 프로세서 A에서 프로세서 B로 이동하도록 네트워크를 구동합니다,” Kompella가 말합니다. “이것들이 함께 부족했던 부분입니다.”

Pandey는 컨트롤러와 컴파일러가 함께 작동하는 것을 확인했습니다. 컴파일러는 애플리케이션이 필요로 하는 계산을 처리합니다. 즉, 네트워크가 제공해야 할 얽힘(entanglement)의 양, 관련된 노드, 그리고 필요한 충실도(fidelity)입니다. 그 후, 컨트롤러가 이 모든 것을 네트워크에 적용합니다.

양자 네트워킹 분야는 점점 더 많은 관심을 받고 있으며, 시장 규모 추정치는 20억 달러 범위에 있습니다. Nu Quantum, Photonics Inc., Aliro Technologies, QphoX와 같은 공급업체들이 존재합니다. 또한 Cisco가 올해 초에 Qunnect와 파트너십을 맺고 뉴욕시 통신 광섬유 네트워크의 17.6킬로미터 구간에서 양자 스케일링 얽힘 교환(quantum scaling entanglement swapping) 시연을 한 사례도 있습니다.

Kompella는 양자 사용 사례가 양자 네트워킹으로부터 이익을 얻을 수 있는 유일한 경우만은 아니라고 지적합니다. 현재 도움을 받을 수 있는 고전 컴퓨팅 애플리케이션도 존재합니다. 한 가지 예로, 금융 서비스 산업의 고속 거래 애플리케이션인 의사 결정 조정(decision coordination)이 있으며, 이는 Cisco의 Quantum Sync와 같은 도구를 사용하여 지리적으로 분리된 노드 간에 즉각적인 통신을 할 수 있습니다.

그는 양자 도청 감지 애플리케이션이 동일한 광섬유에서 양자 얽힘 광자(quantum-entangled photons)를 고전 광자(classical photons)와 혼합하여 사용한다고 말하며, “만약 중간에 도청자가 있다면, 그들은 기본적으로 얽힘을 방해합니다. 결과적으로, 여러분은 그들을 감지할 수 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

양자 네트워크의 개발은 아직 초기 단계이지만, Kompella는 상호 연결된 양자 시스템이 3년에서 5년 내에 등장할 수 있다고 말합니다. 하지만 여전히 많은 작업이 필요합니다. 해결해야 할 난관 중 하나는 트랜스듀싱(transduction)과 관련된 것인데, 이는 초위성(superposition), 얽힘(entanglement) 및 기타 양자 속성을 보존하면서 한 물리 영역이나 주파수에서 다른 곳으로 양자 신호와 정보를 변환하는 것을 의미합니다. Kompella가 말했듯이, “계산용 큐비트가 통신용 큐비트를 만나는 지점”입니다.

또 다른 것은 양자 메모리(quantum memory)로, 큐비트(qubits) 형태로 데이터를 저장하는 것입니다. 문제는 큐비트의 취약성인데, 빛, 진동 또는 기타 노이즈에 의해 쉽게 방해받고 양자 특성을 잃을 수 있다는 점입니다.

그는 “양자 메모리는 실제로 충실도(fidelities)와 타이밍을 높이고 여러 다른 양자 노드 간의 조정을 하는 데 매우 도움이 됩니다”라며, “이것은 아직 양자 메모리가 초기 단계이며 이러한 최첨단 애플리케이션 중 일부를 실현하려면 더 많은 발전이 필요할 것”이라고 말합니다.