미래의 대규모 양자 광 네트워크를 향한 실용적인 접근 방식

이 기술 심층분석 글에서 양자 통신 부문 R&D 디렉터 Farzam Toudeh-Fallah는 네트워크 토폴로지나 거리에 관계없이 양자 보안 통신, 분산 양자 컴퓨팅, 분산 양자 센싱 등의 애플리케이션을 지원할 수 있는 대규모 양자 광 네트워크 개발에 대한 Ciena의 비전을 설명합니다.

통신 업계 전반에서는 양자 기반 솔루션을 도입하려면 네트워크 토폴로지나 거리에 관계없이 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있는 통신 네트워크가 필요하다는 인식이 확산되고 있습니다. 양자 보안 채널을 넘어, 여기에는 분산 양자 컴퓨팅(양자 데이터센터의 대규모 상호 연결)과 분산 양자 센싱(양자 센서 상호 연결) 같은 애플리케이션도 포함됩니다. 이를 달성하면 현재 사용 중인 광 네트워크에서 향후 양자 및 기존 애플리케이션을 모두 지원할 수 있습니다.

그렇게 되기 위해서는 양자 통신 분야의 가장 큰 과제 중 하나를 극복해야 합니다. 바로 ‘장거리 양자 채널 구축’입니다. 이를 위해 Ciena와 전 세계 양자 연구 커뮤니티는 관련 연구를 적극적으로 추진하고 있으며, Ciena는 향후 대규모 양자 광 네트워크를 어떻게 설계할 수 있을지에 대한 비전을 제시했습니다. 이전 블로그 글에서 우리는 더 광범위한 산업적 맥락과 우리의 위성 기반 접근을 심도 있게 설명한 바 있습니다. 이 글에서는 향후 양자 광 네트워크 구축을 위한 연구 중 지상파 방식과 실제 운영 환경에 적용하기 위해 필요한 기본 요건에 초점을 맞춥니다.

장거리 양자 통신 과제의 극복

우선 제가 말씀드리는 장거리란 수천 킬로미터에 달할 수 있는 초장거리 네트워크를 의미하는 것이며, 가장 대표적인 예로는 ‘대륙 간 광 링크’가 있습니다. 광섬유는 고가의 자산으로, 따라서 광섬유를 양자 채널에만 전용하는 것은 실용적인 접근이 아닙니다. 실제 구축 환경에서는 광 DWDM 기존 채널과 양자 채널을 동일한 광섬유에 멀티플렉싱하는 공존 운영 모드를 기반으로 장거리 양자 광 네트워크를 구축할 것입니다.

이런 접근의 주된 과제는 현재 이용되고 있는 광섬유 인프라에 장거리 양자 채널을 구축하는 일입니다. 광섬유에 구축되는 양자 채널의 성능 분석에는 운영 네트워크에 전개된 광섬유의 모든 성능저하 요인들을 반드시 고려해야 합니다. 전송 매체에서의 손실, 디코히어런스, 라만 산란 및 기타 결함들로 인해 양자 채널의 성능 저하가 초래됩니다. 특히 양자역학의 복제 불가 원리로 인해 미지의 양자 상태를 복제할 수 없으며, 이는 양자 통신에서 신호 증폭이라는 개념 자체를 무효화합니다.

양자 리피터는 새로운 개념이 아닙니다. 사실, 이는 수십 년 동안 전 세계적인 연구 주제였습니다. 이 방법론은 양자역학의 고유 현상인, 서로의 거리와 무관하게 양자 입자 간에 존재하는 비국소적 상관관계인 얽힘을 기반으로 합니다. 미래에 양자 리피터가 연구실을 벗어나 실제 운영 환경으로 옮겨가면, 광섬유 경로를 따라 평균 80km 내지 100km마다 현재 광 네트워크에 배치되어 있는 ILA(인-라인 증폭기) 사이트에 설치되어 장거리 양자 통신을 지원하게 될 것입니다.따라서 양자 리피터는 최소한 기기 간 최대 100km에 달하는 거리를 반드시 커버할 수 있어야 합니다. 이 모델에서 장거리 사이트들은 광섬유 링크를 통해 연결되며, DWDM 광 데이터 채널(C-밴드와 L-밴드) 및 양자 채널(O-밴드)이 동일한 광섬유에 멀티플렉싱됩니다. 연구에 따르면 실제 운영 환경의 광섬유 구간에서 O-밴드 손실이 42dB를 초과할 수 있으며, 따라서 양자 리피터는 이처럼 막대한 구간당 양자 채널 손실을 감당할 수 있어야 합니다. 이 분야의 최근 진전에도 불구하고, 이 기술이 실제 구축에 필요한 수준으로 성숙하기까지는 아직 갈 길이 멀다는 점을 명심해야 합니다.

장거리 양자 통신을 위한 필수 빌딩 블록(기본 요소)

기존 광 네트워크를 활용해 장거리 양자 통신을 구축하려는 Ciena의 비전에서 핵심 빌딩 블록은 양자 광 리피터 시스템(Quantum Optical Repeater System, QORS)으로 정의한 장치입니다. 아래 표시된 바와 같이, 각 QORS에는 광 DWDM 기존 채널 구축을 위한 광학 소자(ROADM, 증폭기, 스위치) 및 장거리 양자 채널 구축을 위한 양자 리피터가 포함되어 있습니다.

QORS는 기존 광 DWDM 채널과 양자 채널을 동일한 네트워크에서 공존시키고, 대규모 양자 광 네트워크 구현을 지원합니다.

QORS의 양자 리피터는 장거리 양자 채널 구축을 위해 잘 알려진 얽힘 분배 방법론을 기반으로 작동합니다. 이 방식을 통해 사이트 A와 사이트 B에 있는 두 통신 당사자 간의 장거리 링크가 약 100km 길이의 구간들로 나뉘며, 각 구간은 양자 리피터를 통해 다음 구간과 연결됩니다.  장거리 양자 통신 채널 구축은 각 양자 리피터가 이웃한 리피터와 얽힘을 형성하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음, 모든 양자 리피터가 얽힘 교환(entanglement swapping)이라고 하는 과정을 거칩니다. 이 과정이 끝나면, 두 장거리 사이트는 서로 얽힘 상태에 놓이게 됩니다.

양자 원거리 전송 과정

양자 리피터를 통한 장거리 얽힘이 형성되고 나면, 양자 통신만의 고유 프로세스인 양자 원거리 전송을 사용하여 사이트 A에서 사이트 B로 양자 상태를 전송하게 됩니다. 이 방법론에서 두 장거리 사이트 간에 전송되는 양자 상태는 한쪽 사이트에서 사라진 뒤, 양자 원거리 전송 프로세스를 통해 다른 쪽에 나타나게 되며, 양자 원거리 전송은 각 사이트의 양자 처리 장치(QPU)와 양측 사이의 기존 통신 채널을 활용해 이루어집니다. QKD를 사용하여 양자 보안 채널을 구축하는 경우, 두 장거리 사이트 간에 얽힘이 형성되고 나면 BBM92 같은 얽힘 기반 QKD 방법론도 활용할 수 있습니다. 기술적인 세부 사항은 대규모 광 네트워크에서의 양자 보안 채널 구축(Establishing Quantum-Secured Channels in Large-Scale Optical Networks)을 참조하시기 바랍니다.

실제 장거리 광 네트워크에서의 영향 이해하기

이 연구의 진정한 가치는 이러한 비전을 실제 장거리 광 네트워크에 적용해 얻는 교훈에 있으며, 현재 바로 이 작업을 진행하고 있습니다. 진행 중인 이 연구 조사에서는 탑다운 접근 방식을 취하여, 실용적인 양자 리피터의 요건 및 실제 파라미터를 기반으로 하는 대규모 양자 광 링크를 우선적으로 시뮬레이션 툴에 모델링합니다. 이 연구 조사가 여러 다양한 학술 연구에 비해 차별화되는 핵심 요소는 실제 환경을 모델링하는 데 사용되는 데이터 및 여러 요건들입니다. 구체적으로 말해, Ciena 기기가 지원하는 샌프란시스코와 뉴욕을 연결하는 6,000km에 달하는 실제 초장거리 광 링크에서 얻을 수 있는 링크 엔지니어링 데이터가 활용됩니다.

네트워크 수준의 분석 연구를 수행하는 데 있어 이런 접근 방식은 향후 장거리 양자 통신 채널 구축에 대해 갖게 되는 몇 가지 근본적인 의문을 해결하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 실제 운영 환경에서 양자 통신 채널 구축을 위한 여러 요건을 충족하는 특정 양자 리피터 모델을 구체화하고, 최대 허용 손실과 종단 간 얽힘 생성 속도의 상한을 이해하는 것은 향후 대규모 양자 광 네트워크를 구현하는 데 중요한 기반이 됩니다.

이것이 미래에 의미하는 바

대규모 양자 광 네트워크는 장거리 양자 보안 통신을 보장하고, 분산 양자 컴퓨팅 및 분산 양자 센싱을 포함한 미래 애플리케이션을 전개하는 데 있어 필수적인 역할을 할 것입니다. Ciena는 실제 운영 환경에서 장거리 양자 통신 채널을 구축하기 위한 연구를 수행함으로써 이 분야를 선도하고 있으며, 기존 광섬유 네트워크 위에 장거리 양자 통신 링크를 구축하는 데 필요한 기기 개발의 청사진을 마련할 수 있도록 길을 열어주고 있습니다.

이러한 비전이 오늘날 네트워크 인프라와의 공존을 위해 어떻게 도입될 수 있는지 더 깊이 알아보고 이해하고자 하시면, 대규모 양자 광 네트워크에 관한 당사의 기술 논문 및 프레젠테이션을 살펴보시기 바랍니다.