양자 게이트 조합을 이용한 메타모픽 테스트 케이스 설계 및 평가 = Design and Evaluation of Metamorphic Test Cases using Quantum Gate Combinations

국문 초록 (Abstract)

양자 컴퓨팅은 중첩 및 얽힘과 같은 양자역학적 원리를 활용하여 기존 컴퓨팅의 연산 능력을 초월한 기술로 주목받는다. 그러나 양자 컴퓨팅의 큐비트 (Qubit)는 외부 환경과의 상호작용에 매우 민감하여 양자 상태가 쉽게 손상되는 문제를 갖는다. 본 연구는 노이즈 민감성으로 인해 동일한 회로를 반복 실행하더라도 출력 확률 분포가 매번 달라질 수 있는 양자 컴퓨팅의 문제를 해결하기 위해 메타모픽 테스팅 기법을 적용하여, 노이즈 환경에서 양자 게이트 조합의 테스팅 방법을 제안한다. 먼저 노이즈가 없는 이상적인 환경에서 통계적으로 완전히 동일한 출력 확률 분포를 생성하는 6개의 2-큐비트 게이트 조합을 메타모픽 관계로 정의한다. 기준이 되는 소스 게이트 조합(Hadamard + CNOT)을 바탕으로 논리적 등가성을 유지하는 변형(게이트 중복 적용, 위상 반전 등)을 가한 5개의 팔로우 게이트 조합을 바탕으로 6개의 테스트 케이스를 설계한다. 설계된 테스트 케이스의 신뢰성을 현실적인 환경에서 평가하기 위해, 실제 양자 시스템에서 발생하는 대표적인 물리적 오류 현상을 모사하는 세 가지 노이즈 모델(Depolarizing, Amplitude Damping, Phase Damping)을 적용한다. 실험 결과, 모든 노이즈 모델에서 노이즈 확률이 0.02에 도달하자 p-value가 유의수준(α =0.05) 이하로 측정되어 메타모픽 관계가 붕괴되었으며, Amplitude Damping 노이즈 환경에서 가장 큰 편차를 보였다. 연구에서 제안한 Chi-Square, KL-Divergence, Cosine Similarity 지표의 활용을 통해 메타모픽 관계 판정을 정량적으로 추적하여 양자 게이트 테스팅을 수행할 수 있다. 주요어 : 양자 컴퓨팅, 노이즈 모델, 양자 게이트 조합, 메타모픽 테스팅, 소프트웨어 테스팅

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 연구 범위 및 방법 3
• 제2장 관련연구 5
• 2.1. 양자 컴퓨팅과 양자 게이트 5
• 2.2. 양자 시뮬레이션 플랫폼 10
• 2.3. 양자 노이즈 모델 12
• 2.4. 메타모픽 테스팅 14
• 제3장 테스트 케이스 생성 17
• 3.1. 메타모픽 관계 정의 및 테스트 케이스 설계 17
• 3.2. 테스트 케이스 변형 전략 및 근거 20
• 3.3. 평가 지표 및 판정 기준 22
• 제4장 실험 및 분석 27
• 4.1. 실험 환경 27
• 4.2. 결과 및 분석 29
• 제5장 결론 및 향후 연구 39
• 참고문헌 41