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- QNodeOS는 기존 컴퓨터의 Windows나 MacOs와 유사하게 소프트웨어 애플리케이션과 하드웨어 간의 인터페이스를 형성
- 이러한 운영 체제를 사용하면 소프트웨어 개발자는 매우 쉽게 광범위한 양자 하드웨어에 대한 애플리케이션을 프로그래밍할 수 있다

양자 네트워크를 위한 최초의 운영 체제
Quantum OS, 최초로 양자 하드웨어에 독립적인 애플리케이션을 구현

양자 컴퓨팅의 이정표:
물리학자들이 최초로 양자 시스템을 위한 운영 체제를 개발했다. 이는 양자 컴퓨터 및 양자 네트워크의 유형에 관계없이 작동하는 통합 아키텍처다. QNodeOS는 기존 컴퓨터의 Windows나 MacOs와 유사하게 소프트웨어 애플리케이션과 하드웨어 간의 인터페이스를 형성한다. 이는 양자 애플리케이션의 프로그래밍과 사용을 간소화하며, 팀이 "Nature"에 보고한 바와 같이 양자 컴퓨팅을 크게 발전시킬 수 있다. 

▲ 연구자들은 최초로 양자 네트워크를 위한 운영 체제를 개발하고 테스트했다. 이를 통해 양자 하드웨어와 독립적으로 프로그램과 네트워크 프로토콜을 개발하고 운영할 수 있다. © Studio Oostrum

스마트폰, 태블릿, PC 등 모든 컴퓨터에는 앱과 하드웨어 간의 인터페이스 역할을 하는 운영 체제가 있으며, 이를 통해 간단한 사용자 인터페이스를 제공한다. 하드웨어 제어와 소프트웨어 애플리케이션 간의 업무 분리를 통해서만 컴퓨터는 보편적인 도구가 되었다. 운영 체제는 하드웨어에 관계없이 새로운 프로그램을 개발할 수 있도록 해준다. 앱은 프로세서나 회로에 관계없이 이 운영 체제가 있는 모든 컴퓨터에서 작동한다.

양자 하드웨어를 위한 균일한 인터페이스

하지만 양자 컴퓨터와 양자 네트워크에서는 하드웨어와 소프트웨어 사이의 이런 중요한 '중개자'가 지금까지 존재하지 않았다. 양자 컴퓨터, 양자 모뎀, 그리고 양자 정보의 전송은 이 시스템과 이 하나의 작업에만 맞게 설계된 특정 프로그래밍을 사용한다. 델프트 공과대학의 카를로 델레 돈네와 그의 동료들은 "기본 양자 하드웨어와 독립적이고 프로그래머가 시스템의 물리를 이해할 필요가 없는 아키텍처가 부족하다"고 설명했다.

▲ 새로운 QNodeOS 운영체제가 테스트 중이다. © Universität Innsbruck

이제 상황은 바뀌었다. 델 도네와 그의 팀은 양자 네트워크를 위한 최초의 운영 체제를 개발했다. 예를 들어, QNodeOS는 기존 컴퓨팅에서 클라우드 컴퓨팅과 인터넷을 구현하는 양자 시스템의 기능을 수행한다. TU Delft의 수석 저자 Stephanie Wehner는 "이제 양자 네트워크에서 애플리케이션을 쉽게 프로그래밍하고 실행할 수 있게 되었다"고 설명했다.

고전 프로세서와 양자 프로세서가 함께 작동

물리학자들은 양자 운영 체계를 개발하기 위해 여러 가지 어려움을 극복해야 했다. 큐비트와 양자 정보는 중첩이나 얽힘과 같은 현상에 기반을 두고 있는데, 이러한 현상은 간섭을 받기 매우 쉽고 시간적으로 중요하기 때문이다. 고전적인 디지털과 양자 물리적 제어 시스템과 프로토콜도 모두 필요하다. 연구팀은 운영 체제에 모듈식 아키텍처를 사용해 이 문제를 해결했다. 즉, 클래식 네트워크 프로세서(CNPU)와 양자 네트워크 프로세서 유닛(QNPU)이 병렬로 실행되지만 서로 연결되어 있다.

클래식 프로세서는 소프트웨어 애플리케이션에 대한 인터페이스를 형성한다. Delle Donne과 그의 팀은 "실행이 시작되면 CNPU가 일반 운영 체제와 마찬가지로 프로세스를 생성한다"고 설명했다. 설치된 앱의 명령은 인터페이스를 통해 양자 네트워크 프로세서로 전달된다. 물리학자들은 "그러면 QNPU가 자체 관련 프로세스를 생성한다"고 말했다.

▲ 응용 패러다임 (출처:관련논문 Published: 12 March 2025 An operating system for executing applications on quantum network nodes)

양자 하드웨어가 프로세서 명령을 이해하도록 하기 위해 QNodeOS는 가변 드라이버를 사용한다. Windows, MacOS 및 기타와 마찬가지로 이러한 상호 교환 가능한 드라이버는 각 하드웨어에 대한 프로세서 명령어를 "번역"한다.

두 하드웨어 시스템에 대한 테스트가 성공했다.

델레 던과 그의 팀은 두 가지 다른 양자 네트워크를 사용하여 양자 운영 체제가 얼마나 잘 작동하는지, 그리고 얼마나 다용도로 활용 가능한지 테스트했다. 하나는 이온을 큐비트로 사용하는 양자 네트워크이고, 다른 하나는 다이아몬드 결정의 질소 공석을 큐비트로 사용하는 양자 네트워크다. 이 실험에서는 두 개의 양자 컴퓨터가 네트워크로 연결되었다. 연구자들은 "그들은 클라이언트와 서버를 갖춘 위임된 양자 컴퓨팅의 간단한 형태를 나타낸다"고 설명했다.

▲ QNodeOS architecture. QNodeOS는 클래식 네트워크 처리 장치(CNPU)와 양자 네트워크 처리 장치(QNPU)(클래식 시스템)로 구성된다. QNodeOS는 QDevice(양자 하드웨어 및 저수준 클래식 제어)를 제어한다. b, 다이아몬드 NV 센터에서 두 QDevices가 모두 단일 큐비트를 제어하는 ​​2노드 설정에서 QNodeOS를 구현한 개략도. CNPU는 범용 PC에 구현되고 QNPU는 기가비트 이더넷(파란색)을 통해 연결된 임베디드 시스템에 구현된다. QNPU는 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)(분홍색)를 통해 QDevice에 연결된다. 두 개의 QNPU(갈색)와 두 개의 CNPU(녹색)는 기가비트 이더넷을 통해 서로 연결된다. QDevice는 고전적인 디지털 입출력(DIO) 인터페이스를 통해 통신)와 균형 잡힌 50:50 빔 분할기(출력 포트가 광섬유(빨간색)를 통해 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)에 연결됨), 시간 태거(TT) 및 QDevice 간 얽힘 생성을 알리고 고전적인 메시지를 MCU에 보내는 복합 프로그래머블 논리 소자(CPLD)로 구성된 예고 스테이션이 있다.

효과가 있었다. "우리는 QNodeOS가 두 가지 모두와 함께 작동할 수 있음을 보여줄 수 있었다." 인스브루크 대학교의 공동 저자인 트레이시 노섭의 보고다. 테스트 시스템은 특별한 재프로그래밍이 필요 없이 소프트웨어 애플리케이션에서 할당된 작업을 수행했다. "저희 운영 체제는 집에 있는 컴퓨터의 소프트웨어와 같다. 하드웨어가 어떻게 작동하는지 알 필요 없이 사용할 수 있다"고 TU Delft의 Mariagrazia Iuliano가 말했다.

추가 테스트 결과, 양자 운영 체제는 멀티태스킹도 가능하다는 것이 밝혀졌다. 즉, 여러 작업을 동시에 수행할 수 있다는 것이다. 운영 체제는 작업 패키지를 여유 네트워크 리소스에 분배한다. "우리 아키텍처는 프로토콜 스택이 노드 간 얽힘을 허용하는 한 엔드 노드 간의 거리나 연결성과 무관하다"고 팀은 썼다.

▲ 단일 노드 설정에서 QNodeOS를 구현한 개략도. 여기서 QDevice는 단일 트랩 이온 큐비트를 포함한다. QNPU QDriver는 SPI(Methods)를 통해 QDevice에 연결되는 FPGA(Field-Programmable Gate Array)에서 구현된다. 설정은 SPI 메시지와 TTL 신호 사이를 변환하는 에뮬레이터, FPGA와 직접 디지털 합성(DDS) 모듈을 포함하는 실험 제어 하드웨어, 초고진공(그림 1)에서 트랩 이온 큐비트60, 원자 형광을 등록하는 광전 증배관(PMT)으로 구성된다.(출처:관련논문 Published: 12 March 2025 An operating system for executing applications on quantum network nodes)

QNodeOS가 차세대 유닉스가 될까?

물리학자에 따르면, QNodeOS는 양자 컴퓨팅의 결정적인 발전을 위한 기반을 제공한다. 이러한 운영 체제를 사용하면 소프트웨어 개발자는 매우 쉽게 광범위한 양자 하드웨어에 대한 애플리케이션을 프로그래밍할 수 있다. Wehner는 "저희 연구를 통해 양자 네트워크 기술을 모든 사람이 사용할 수 있게 만들고 싶다"고 말했다. "QNodeOS를 통해 우리는 이 목표에 한 걸음 더 가까이 다가가고 있다.“

이 연구에 참여하지 않았지만, 이탈리아 국립 연구 위원회 산하 정보학 연구소의 IT 연구자인 클라우디오 치코네티도 비슷한 견해를 밝혔다. 그는 첨부된 코멘트에서 "아직까지 QNodeOS가 차세대 Unix가 될지는 아무도 말할 수 없다"고 적었다. 하지만 QNodeOs는 올바른 방향으로 나아가는 한 걸음이며, 양자 컴퓨팅과 양자 네트워크를 새로운 성숙 단계로 끌어올릴 수 있다."
(Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-08704-w)
출처: Delft University of Technology, Universität Innsbruck, Nature

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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