실제 환경에서 양자 네트워크 QLAN 구현

과학자들은 실용적인 양자 인터넷 구현에 한발 다가섰다.

미국 에너지부 ORNL(Oak Ridge National Laboratory), Stanford University 및 Purdue University 협력 연구팀은 광섬유를 통과하는 얽힌 광자로 ORNL에서 지리적으로 격리된 시스템과 공유되는 정보를 실시간으로 조정할 수 있는 새로운 양자 근거리 통신망(QLAN)을 개발하고 시연했다.

이 네트워크는 전문가들이 일상적으로 양자 컴퓨터와 센서를 실용적인 규모로 연결하여 매우 기대되는 양자 인터넷을 향한 경로에서 이러한 차세대 기술의 잠재력을 최대한 실현하는 방법을 제시한다. 연구 결과는 6일(현지시각) PRX Quantum에 발표됐다.

QLAN은 실험실 연구에서 성공적으로 테스트됐다. 양자 키 분배는 지금까지 현장에서 양자 통신의 가장 일반적 사례로 사이트 간의 얽힘이 아닌 보안만 설정하기 때문에 제한적이다.

ORNL의 양자 정보 과학 부문 책임자인 Nicholas Peters는 “우리는 얽힘 분포 대역폭과 같은 중요한 기능을 이해함으로써 양자 인터넷을 구축할 수 있는 토대를 마련하려고 노력하고 있다. 우리의 목표는 양자 네트워킹 응용 프로그램을 시연하는 데 필요한 기본 도구와 빌딩 블록을 개발하여 양자 이점을 실현하기 위해 실제 네트워크에 배포할 수 있도록 하는 것”이라고 말했다.

두 개의 광자(빛의 입자)가 함께 짝을 이루거나 얽히면 물리적 거리에 관계없이 고전적인 방법으로 가능한 것보다 더 강력한 양자 상관 관계를 나타낸다. 이러한 상호 작용은 양자 리소스를 통해서만 달성할 수 있는 반직관적인 양자 통신 프로토콜을 가능하게 한다.

그러한 프로토콜 중 하나인 원격 상태 준비는 얽힌 광자 쌍의 절반을 측정하고 나머지 절반을 선호하는 양자 상태로 효과적으로 변환하여 정보를 인코딩하기 위해 얽힘 및 고전 통신을 활용한다. Peters 팀은 이 기술을 QLAN의 모든 페어링된 링크에 적용, 얽힘 기반 양자 통신의 확장성을 시연했다.

이 접근 방식을 통해 팀은 양자 전송을 통해 통신할 수 있는 가상의 캐릭터에 일반적으로 사용되는 이름인 “Alice”, “Bob” 및 “Charlie”로 알려진 세 개의 원격 노드를 연결할 수 있었다. Alice와 광자 소스가 포함된 실험실에서 광자는 ORNL의 기존 광섬유 인프라를 통해 Bob과 Charlie에게 얽힘을 분산시켰다.

양자 네트워크는 얽힌 광자가 공유하는 양자 상관 관계를 방해하는 증폭기 및 기타 기존 신호 부스팅 리소스와 호환되지 않는다. 이러한 잠재적인 단점을 염두에 두고 팀은 QLAN 연결을 끊지 않고 네트워크 사용자에게 양자 리소스를 할당하고 재할당하기 위해 파장 선택 스위치를 사용하는 유연한 그리드 대역폭 프로비저닝을 통합했다. 이 기술은 네트워크 운영자가 네트워크 속도를 방해하거나 보안 프로토콜을 손상시키지 않으면서 트래픽을 다른 영역으로 다시 라우팅하여 광섬유 끊김과 같은 예기치 않은 이벤트에 대응할 수 있는 일종의 내장형 내결함성을 제공한다.

Wigner Fellow이자 ORNL 과학자인 Joseph Lukens는 “네트워크의 수요는 시간이 지남에 따라 또는 다른 구성으로 변경될 수 있기 때문에 특정 사용자에게 항상 동일한 부분을 할당하는 고정 파장 채널이 있는 시스템을 원하지 않을 것이다. 대신 필요에 따라 네트워크 사용자에게 더 많거나 더 적은 대역폭을 제공할 수 있는 유연성을 요구한다”고 설명했다.

전형적인 고전적인 대응물과 비교할 때, 양자 네트워크는 훨씬 더 밀접하게 동기화되기 위해 각 노드의 활동 타이밍이 필요하다. 이 요구 사항을 충족하기 위해 연구원들은 위성 데이터를 사용하여 일상적인 탐색 서비스를 제공하는 동일한 다목적이고 비용 효율적인 기술인 GPS에 의존했다. Bob의 연구실에 있는 GPS 안테나를 사용하여 팀은 각 노드와 신호를 공유하여 GPS 기반 시계가 몇 나노초 내에 동기화되고 실험 중에 분리되지 않도록 했다.

광자 감지기에 포착된 얽힌 광자의 도착에 대한 정확한 타임스탬프를 얻은 팀은 이러한 측정값을 QLAN에서 기존 네트워크로 보내 세 연구소 모두에서 고품질 데이터를 수집했다.

연구팀은 더 많은 노드를 추가하는 등 QLAN 업그레이드가 양자 버전 인터넷을 형성할 것을 기대한다.

프로젝트에 귀중한 컴퓨터 과학 전문 지식을 제공한 ORNL의 박사후 연구원인 Muneer Alshowkan은 “인터넷은 많은 소규모 네트워크로 구성된 대규모 네트워크다. 양자 인터넷 개발을 위한 다음 단계는 QLAN을 다른 양자 네트워크에 연결하는 것”이라고 말했다.

또한 팀의 발견은 우주의 주요 물질 원천으로 여겨지는 보이지 않는 물질인 찾기 힘든 암흑 물질의 증거를 찾는 데 사용되는 것과 같은 다른 탐지 기술을 개선하는 데 적용될 수 있다.

Peters는 “기본적인 고에너지 물리학 효과를 볼 수 있는 능력을 가진 양자 센서의 네트워크를 구축하는 것을 상상해자. 이 기술을 개발함으로써 우리는 암흑 물질에 대한 지속적인 탐색과 우주를 더 잘 이해하기 위한 기타 노력을 지원하기 위해 이러한 현상을 측정하는 데 필요한 감도를 낮추는 것을 목표로 한다”고 설명했다.

연구팀은 다음 실험에서 네트워크에서 노이즈의 원인인 우발적인 수를 줄이고 QLAN의 서비스 품질을 더욱 향상시키기 위해 더욱 발전된 타이밍 동기화 방법을 구현하는 데 중점을 둘 예정이다.