Lagrange: Operating Italy's First Publicly-Accessible Quantum Computer for Research and Education

이 논문은 LINKS 재단, 토리노 공과대학교 및 이탈리아 국가 계량 연구소가 공동으로 운영 중인 이탈리아 최초의 공개 양자 컴퓨터 '라그랑주'의 소프트웨어 관리 스택 설계, 구현 및 9 개월간의 운영 경험을 통해 프로젝트 기반 예산 관리, 예약 인식 권한 부여 및 사용자 간 공평성 정책 등을 포함한 미들웨어 아키텍처와 운영 교훈을 보고합니다.

핵심

🌟 핵심 비유: "공공 도서관과 스마트 관리자"

이 논문의 주인공인 라그랑지 양자 컴퓨터는 마치 대형 도서관과 같습니다. 하지만 이 도서관은 책 (정보) 을 읽는 것이 아니라, 아주 복잡한 문제를 해결하는 '양자 계산'을 수행합니다.

문제는 이 도서관을 **세 가지 다른 기관 (연구재단, 대학교, 국가 연구소)**이 함께 쓰고 있다는 점입니다.

• 문제 상황: 원래 이 도서관은 '열쇠 (인증)'만 있으면 누구나 들어와서 책을 무제한으로 빌려갈 수 있게 되어 있었습니다. 하지만 이렇게 되면, 한 사람이 모든 책을 다 가져가서 다른 사람이 못 보는 일이 생기거나, 누가 책을 얼마나 빌려갔는지 (비용) 알 수 없게 됩니다.
• 해결책: 연구팀은 이 도서관에 **'스마트 관리자 (미들웨어)'**를 도입했습니다. 이 관리자는 도서관의 문을 바꾸지 않고, 문 앞에 서서 다음과 같은 일을 합니다.

1. 투명하고 편리한 출입구 (Transparency)

• 비유: 도서관에 들어갈 때, 이용자가 새로운 출입카드를 만들거나 복잡한 절차를 밟을 필요가 없습니다. 그냥 평소 쓰던 도서관 회원증 (기존 소프트웨어) 을 보여주면 됩니다.
• 실제 기술: 연구자들은 자신의 노트북에서 평소 쓰던 프로그램 (Qiskit 등) 을 그대로 쓰면 됩니다. 관리자 시스템이 뒤에서 자동으로 "이 사람은 누구인가?", "이 프로젝트에 비용이 남아있는가?"를 확인해 줍니다. 사용자는 아무것도 몰라도 됩니다.

2. 공정한 자원 배분 (Fairness & Billing)

• 비유: 도서관에는 '시간제 대여'와 '예산' 개념이 있습니다.
  • 예산 관리: 각 연구 프로젝트마다 '양자 시간 (QPU 시간)'이라는 화폐가 있습니다. 관리자가 "이 프로젝트는 예산이 다 떨어졌으니 더 빌릴 수 없습니다"라고 막아줍니다.
  • 공정성: 한 사람이 도서관을 독점하지 못하게 합니다. "너는 지금 5 권까지 빌릴 수 있지만, 그 이상은 다른 사람이 기다리고 있으니 먼저 다 읽어야 해"라고 제한을 둡니다.
  • 예약 시스템: 특정 기관은 미리 '독점 시간'을 예약할 수 있습니다. 그 시간에는 다른 사람이 들어올 수 없게 문이 잠깁니다.

3. 교육과 실전 (Education)

• 비유: 이 도서관은 단순히 연구실만 있는 게 아니라, 학생들이 시험을 치르는 교실로도 쓰입니다.
  • 이탈리아에서는 드물게, 공대 학생들이 양자 컴퓨터를 이용해 실제 시험을 봅니다.
  • 마치 컴퓨터 프로그래밍 수업에서 실습을 하듯이, 학생들이 양자 컴퓨터를 직접 조작하며 문제를 풀고, 그 결과를 바로 확인합니다. 이는 유럽에서 매우 독특한 사례라고 합니다.

4. 튼튼한 기반 시설 (Infrastructure)

• 비유: 이 시스템을 운영하는 것은 마치 비행기 조종사와 같습니다.
  • 양자 컴퓨터는 매우 민감해서 (냉장고처럼 차가운 환경이 필요함) 자주 멈추거나 고장 날 수 있습니다. 하지만 이 시스템은 98% 이상 가동률을 유지하며, 수백 건의 작업을 처리했습니다.
  • 모든 데이터 (결과물) 를 안전하게 별도의 저장소에 보관합니다. 양자 컴퓨터 본체가 고장 나더라도 데이터는 사라지지 않습니다.

🚀 이 시스템이 왜 중요한가요?

1. 첫 번째 사례: 이탈리아에서 여러 기관이 공유하고, 일반인도 상업적으로 이용할 수 있으며, 학생이 시험에 쓰는 첫 번째 공개 양자 컴퓨터입니다.
2. 재사용 가능한 설계: 이 시스템은 특정 양자 컴퓨터 (IQM Spark) 에만 맞춘 게 아니라, 나중에 다른 회사의 양자 컴퓨터가 들어와도 쉽게 연결할 수 있도록 레고 블록처럼 모듈화되어 있습니다.
3. 미래 교육: 양자 컴퓨터가 더 이상 '신비로운 실험실 장비'가 아니라, 학생들의 일상적인 학습 도구가 될 수 있음을 보여줍니다.

📝 한 줄 요약

"이 논문은 이탈리아 연구팀이 양자 컴퓨터를 '공공 도서관'처럼 공정하고 편리하게 운영할 수 있는 지능형 관리자 시스템을 만들어, 연구자, 기업, 그리고 학생들까지 함께 사용할 수 있게 했다는 성공 사례를 소개합니다."

이 시스템 덕분에 양자 컴퓨터는 이제 소수의 천재 과학자들만의 전유물이 아니라, 누구나 접근하고 배울 수 있는 일상적인 도구가 되었습니다.

기술 요약

논문 요약: Lagrange - 연구 및 교육을 위한 이탈리아 최초의 공개 양자 컴퓨터 운영

1. 문제 정의 (Problem)

최근 IQM, IBM, Rigetti 등 벤더사로부터 상용 양자 컴퓨터가 대학 및 연구 기관에 도입되고 있으나, 온프레미스 (on-premises) 환경에서 공유 자원을 운영하기 위한 소프트웨어 관리 스택의 부재가 주요 과제로 대두되었습니다.

• 벤더 소프트웨어의 한계: 벤더가 제공하는 기본 소프트웨어 (예: IQM OS) 는 인증 (Authentication) 기능만 제공하며, 프로젝트별 과금 (Billing), 할당량 (Quota) 관리, 공정한 사용 정책 (Fair Usage), 예약 스케줄링, 다중 기관 간 신원 연동 (Federation) 등의 기능은 포함하지 않습니다.
• 운영적 난제: 이러한 관리 기능이 없으면 공유 양자 컴퓨터는 단일 사용자용 실험실 장비와 다름없어집니다. 비용 귀속이 불가능하고, 고밀도 사용 시 공정한 접근이 보장되지 않으며, 교육 목적 (시험 등) 에 적합한 유연한 관리 체계가 부재합니다.
• 기존 솔루션의 부적합: 클라우드 기반 플랫폼 (IBM Quantum, AWS Braket 등) 은 이러한 문제를 해결하지만 온프레미스 배포가 불가능하며, 기존 학술적 배포는 주로 하드웨어 벤치마킹에 집중하여 관리 소프트웨어 레이어에 대한 가이드가 부족합니다.

2. 방법론 (Methodology)

이 연구는 이탈리아 토리노에 위치한 LINKS 재단, 폴리테크니코 디 토리노 대학, 이탈리아 국립 계측 연구소 (INRiM) 가 공동으로 구매한 IQM Spark 5-큐비트 초전도 양자 컴퓨터 'Lagrange'를 운영하기 위한 맞춤형 미들웨어 스택을 설계 및 구현했습니다.

• 핵심 설계 원칙:

  1. 투명성 (Transparency): 사용자는 수정되지 않은 기존 IQM 클라이언트 라이브러리 (Qiskit, Cirq, Qrisp 등) 를 그대로 사용할 수 있어야 합니다. SSH 를 통한 배치 스케줄러 (SLURM 등) 접근 방식은 배제하고, 직접 API 호출 워크플로우를 유지합니다.
  2. 확장성 (Extensibility): 벤더 특정 로직과 사이트별 정책을 분리하는 플러그인 아키텍처를 도입하여 향후 다른 벤더 하드웨어나 운영 환경으로의 이식을 용이하게 합니다.

• 시스템 아키텍처:

  • QC Gateway (미들웨어): Python(FastAPI) 기반의 투명 역프록시 (Reverse Proxy) 로, IQM REST API 요청을 가로채서 처리합니다.
    • 기능: OIDC 토큰 검증, 역할 기반 접근 제어 (RBAC), 프로젝트 예산 확인, 동시 실행 제한 (Fairness), 작업 결과 및 캘리브레이션 데이터의 영구 저장.
    • 플러그인 구조: Vendor Plugin(벤더 API 파싱, 상태 폴링 등) 과 Site Plugin(예산 규칙, 과금 로직, 예약 정책 등) 으로 분리되어 상호 독립적으로 동작합니다.
  • 백엔드 API 및 데이터베이스: PostgreSQL 를 사용하여 조직, 프로젝트, 사용자, 예산, 예약 슬롯, 작업 기록 등을 관리합니다.
  • 저장소: MinIO(S3 호환) 를 사용하여 제출된 회로, 실행 결과, 캘리브레이션 데이터를 영구적으로 보관합니다.
  • 인증 및 연동: Keycloak 기반의 중앙 인증 서버를 운영하며, SAML 및 OIDC 를 통해 파트너 기관 (폴리테크니코, INRiM 등) 의 신원 정보와 연동합니다.
  • 모니터링: Grafana 와 Prometheus 를 활용하여 양자 컴퓨터의 내부 상태 (큐비트 충실도, 냉각 시스템 등) 와 소프트웨어 스택의 운영 지표를 실시간으로 모니터링합니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

• 이탈리아 최초 공개 양자 컴퓨터 운영: 연구자, 학생, 일반 대중 (상업 계약 하) 이 접근할 수 있는 이탈리아 최초의 양자 컴퓨터를 성공적으로 운영 중입니다.
• 교육 통합의 혁신: 폴리테크니코 디 토리노 대학에서 학생들이 강의 시간뿐만 아니라 공식 시험 (Formal Examinations) 중에도 실제 양자 컴퓨터를 사용하는 독보적인 사례를 구현했습니다. 이는 유럽에서 유례가 없는 교육 모델입니다.
• 플러그인 기반 미들웨어 프레임워크: 벤더 로직과 사이트 정책을 분리하여 다양한 하드웨어와 운영 환경에 재사용 가능한 아키텍처를 제시했습니다.
• 투명한 API 프록시 구현: 사용자의 워크플로우를 변경하지 않으면서도 복잡한 과금, 예약, 공정성 정책을 투명하게 적용하는 기술적 해결책을 제시했습니다.

4. 결과 (Results)

• 운영 성과 (2025 년 9 월 ~ 2026 년 4 월):
  • 처리량: 240,000 개 이상의 양자 작업 (Jobs) 처리.
  • 실행 시간: 총 1 주일 이상의 QPU 실행 시간 누적.
  • 가용성: 98% 이상의 높은 가동률 유지 (온프레미스 양자 하드웨어 기준 매우 우수한 수치).
  • 사용자: 3 개 기관 및 파트너에서 500 명 이상의 사용자 (학생 350 명 포함) 가 활용.
• 교육적 성과:
  • 양자 공학 석사 과정 및 관련 과목에서 이론과 실습을 결합한 교육에 성공적으로 통합됨.
  • 학생들은 실제 하드웨어의 노이즈와 제약 조건을 경험하며 회로 설계, 최적화, 컴파일러 전략 등을 학습.
  • QubiTO(이탈리아 최초의 양자 컴퓨팅 학생 팀) 와의 협력을 통해 해커톤 및 이벤트 개최.

5. 의의 (Significance)

• 공유 인프라 모델의 표준 제시: 소규모 양자 컴퓨터를 HPC(고성능 컴퓨팅) 시설과 같은 수준의 서비스 관리 (과금, 예약, 공정성) 하에 공유 인프라로 운영할 수 있음을 입증했습니다.
• 교육 패러다임 전환: 양자 컴퓨팅 교육이 시뮬레이션에 그치지 않고, 실제 하드웨어를 통한 실험과 평가를 가능하게 함으로써 교육의 질을 획기적으로 높였습니다.
• 오픈 소스 및 재사용성: 개발된 QC Gateway 코드와 문서가 공개되어 (http://docs.quantum.linksfoundation.com/), 전 세계 기관이 유사한 온프레미스 양자 컴퓨터 배포 시 이 아키텍처를 재사용할 수 있는 청사진을 제공합니다.
• 다중 기관 협력 모델: 서로 다른 과금 체계와 접근 권한을 가진 여러 기관이 하나의 하드웨어를 공유하며 운영할 수 있는 행정적, 기술적 모델을 확립했습니다.

이 논문은 양자 하드웨어의 물리적 도입을 넘어, 이를 효과적으로 운영하고 교육 및 연구에 활용하기 위한 소프트웨어 관리 레이어의 중요성을 강조하며, 향후 온프레미스 양자 컴퓨팅 생태계 구축에 중요한 이정표가 될 것으로 기대됩니다.