게이미피케이션 메카니즘을 적용한 양자역학 원리를 배우는 STEAM 프로그램 개발

고대훈,박남제 한국정보교육학회 2016 정보교육학회논문지 Vol.20 No.5

본 논문에서는 STEAM 교육과 미래 유망직종인 컴퓨터 전문가 중 하나인 양자컴퓨터 전문가 대한 간접 체험의 기회를 제공하고자 국가수준 교육과정과의 연관성을 분석하여 초등학교 3-4학년을 위한 양자컴퓨터 전문가에 대하여 알아보고 자신의 진로와 연관지어 생각해볼 수 있는 STEAM 교육프로그램을 개발하였다. 하지만 초등학생들이 물리학 중 가장 어렵다는 양자역학을 근본으로 하는 양자컴퓨터의 기본이론을 이해하는 것이란 거의불가능하다. 따라서 본 논문에서는 게이미피케이션 메카니즘을 적용하여 양자역학 원리를 배울 수 있는STEAM 프로그램을 제안하였다. 학생들이 흥미를 유발하고 양자컴퓨터의 가장 기본적인 원리 중 하나인 양자스핀과 양자컴퓨터와 연관된 양자암호, 그리고 아직 양자컴퓨터의 미완성 등을 간접적으로 체험할 수 있도록 교재를 개발하였으며, 이를 현장에 직접 적용하였다. 본 연구에서 제공하는 진로 STEAM 교육프로그램은 IT관련진로 탐색과 관련 소양 함양에 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. In this paper, in order to offer the opportunity to indirectly experience STEAM education and the profession of a quantum computer professional, one of computer experts as a promising occupation of the future, its correlation to the national curriculum was analyzed. STEAM educational program in this paper was developed through which the third or fourth graders in elementary schools can learn about a quantum computer expert and think about it in relevance to their future careers. Yet, it's almost impossible for the students to understand the basic theories of quantum computer based on quantum mechanics, one of most difficult areas of physics. Accordingly, in this proposed textbook, gamification mechanism was applied to arouse students' interest. Moreover, the textbook was developed and applied to the field directly in the way that students would be able to indirectly experience quantum spin, one of most basic principles of quantum computer, quantum cryptography related to quantum computer, incomplete quantum computer and etc. The STEAM educational program for future careers offered in this research is expected to create positive effects for students to explore careers relevant to IT, and to develop related qualities.

0과 1의 해석학-수학, 디지털 및 양자정보, 그리고 주역과 노장

오태석 한국중국어문학회 2018 中國文學 Vol.97 No.-

This paper mainly put emphasis on the concept of ‘ambiguity’ and ‘ambivalence’, not on‘clarity’ in regard to information theory. The specific contents are about the humanistic implies ofthe numbers ‘0 and 1’. I describe it into three parts as follows: ① Many interpretations ofhumanistic math about ‘0 and 1’ which could be extended to the circle and wave in TaiJI(太極)and its center line and its augural meaning of differential equation; probability; set in regard toGeorge Cantor’s diagonal argument; and exponential function and log function which are relatedwith the concept of information bit. ② A comparison of information theory about ‘0 and 1’ indigital computer’s bit with quantum computer’s qbit. ③ Mathematical semiotics of Yin and Yangin Book of Change(Yi-Jing), and Laozhuang’s view of ‘liangxing(兩行)’, i.e. going two-wayssimultaneously from the aspect of information theory. In this paper I maintain 3 points as follows: ⓐ Similarity of ambivalence(兩價性) between 0that includes nothing and infinity and concept of ‘Wu’(無) in Laozi(老子). ⓑ digital computer’soperating system is alternative algorithm i.e. {0/1}. Meanwhile quantum computer is simultaneouslyambivalent taking algorithm i.e. {0&1}, which is based on quantum superposition and quantumentanglement. In other words, digital computer is based on the way of optional choice, andquantum computer runs in two different ways simultaneously. I think quantum computer’s operatingsystem is much similar to the process of “Yang from Yin(陰中陽)” and “Yin from Yang(陽中陰)”in YiJing(易經), which is operated in intrinsically mutual complementary way. ⓒ For hundreds ofyears Western thoughts made much of rational clarity, and in result the thoughts of ambivalence’(兩價性) in East Asian traditional thoughts are neglected relatively. I think from the impact of Einstein’s Relative Theories and Quantum Mechanics in earlydecades of 20th century, people start ringing that rational clarity is not always superior toambivalence and ambiguity, especially in modern science. In this paper I considered the matter of26 中國文學 第97輯humanistic implies about ‘0 and 1’ especially from information theory. And I would like to evokethe changing situation in recent recognition on ‘ambiguity’ or ‘ambivalence’, unlike past centuries. 본고 〈0과 1의 해석학〉은 ‘0과 1’의 다양한 인문수학적 함의, 이 숫자들에 기초한 디지털컴퓨터와 양자컴퓨터의 구동방식의 비교, 그리고 주역 음양론과 노장 세계인식의 중요한 특징으로서의 양가성(兩價性)과 양행의 독법을 정보이론의 관점에서 풀어 해석하고자 했다. 제2장에서는 ‘0과 1’의 의미를 0의 양가성, 원과 파동, 확률, 집합론, 그리고 지수⋅로그(log)의 정보 단위로서의 bit와의 관련성 등을 인문수학적으로 고찰하였다. 제3장에서는 0과 1의 선택(0/1)에 기초한 디지털컴퓨터와, 양자역학의 기본 속성인 양자중첩에 기초해 0과 1을 동시에취하는(0&1) 양자컴퓨터의 알고리즘 구동 방식을 비교 분석함으로써 이어 행할 주역 및 노장사유와의 상호 관련성을 가늠할 기초 자료로 삼았다. 제4장에서는 음과 양 혹은 0과 1의 이진법으로 운용되는 동아시아 주역 음양기호학의 괘의 확장과 전개가 방식으로 구동되며, 동시에 0과 1이 복희육십사괘도에서 보듯이 ‘음중양,양중음’의 내적 상관성 속에 움직이는 점, 그리고 노장이 공히 인식한 상도(常道)적 잠재계와가도(可道)적 현상계, 그리고 이 둘의 양면 구동인 양행(兩行) 병작(並作)의 사유가 양자택일적 디지털 컴퓨터보다는 양자컴퓨터와 더 근접함을 보았다. 이상의 고찰을 통해 서구 르네상스 이후 전개된 근대이성 중심의 세속주의(secularism) 및데카르트와 뉴턴 이래 가속화한 분과주의 및 기계론적 이분법의 독점적 지배가 20세기초 상대성이론과 양자역학으로 흔들리기 시작하면서, 장기간 홀시되었던 동아시아 사유의 이중성과 모호성의 양가(兩價)⋅양행(兩行)의 사유가 새로운 조명을 받을 충분한 시점에 이르렀다고논증하였다.

양자 컴퓨팅 기술의 실제 응용의 현황과 제약 연구

김재형 한국컴퓨터정보학회 2023 韓國컴퓨터情報學會論文誌 Vol.28 No.3

본 논문에서는 양자컴퓨팅 기술을 활용해 유의미한 수준의 현실 문제를 해결하는 데 있어서 응용을 어렵게 하는 요인이 무엇인지 도출하고, 관련 연구 동향과 방향성을 제시한다. 이를 위해, 양자컴퓨팅 기술을 응용하는 일의 어려움을 이해하는 데 필요한 양자 역학의 기본 지식을 컴퓨터공학의 관점에서 정리하고, 현재 상용화된 양자 컴퓨터와 양자 프로그래밍 계층을 문헌을 통해분석한다. 또한 클라우드 기반 상용 양자컴퓨팅 서비스의 현황과 활용 방안에 대한 분석과정을통해, 현시점에서 양자컴퓨팅의 실용적 응용을 어렵게 하는 요인으로 양자 컴퓨터 프로그래밍에대한 진입장벽과 노이즈가 존재하는 중규모 양자 컴퓨터에 대한 제약사항, 아직 성장 중인 오픈소스 생태계, 현실 문제 크기에 대한 시뮬레이션의 어려움의 네 가지 요인을 도출하고 관련 연구에 대한 동향과 방향성을 제시한다. 이를 통해, 양자컴퓨팅 기술의 실용적 응용을 위한 토대를 마련하는 데 기여할 것으로 기대된다.

기저상태계산 문제에 대한 양자컴퓨팅의 성능 분석

최병수,Choi, Byung-Soo 한국광학회 2018 한국광학회지 Vol.29 No.2

최근 양자프로세서와 관련한 연구개발이 본격화되면서 실제 수행가능 한 양자계산량도 계속 증가하고 있다. 이에 양자컴퓨팅은 본격적으로 활용화단계로 진입하고 있다고 볼 수 있다. 다만 아직은 큰 규모의 양자컴퓨팅이 가능하지 않기 때문에 작은 규모의 문제이지만 고전컴퓨팅으로는 해결하기 힘들고, 양자컴퓨팅으로는 효과적으로 계산할 수 있는 문제를 대상으로 하고 있다. 본 연구에서는 이와 관련하여 양자컴퓨터를 이용한 작은 크기의 양자시뮬레이션분야의 실질적인 계산성능에 대한 정량적인 분석 결과를 보고한다. 분석결과 현재까지의 결함허용 기반 양자컴퓨팅은 양자계산성능의 측면에서 다양한 문제점을 갖고 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 이와 관련하여 향후 수행해야 할 연구개발 내용을 정리하였다. As the quantum volume increases, we are about to use quantum computers for real applications. Therefore, it is necessary to investigate how much quantum-computational gain is achievable in the near future. In this work, we analyze a fault-tolerant quantum computing method for near-term applications such as the ground-state estimation problem. Based on quantitative analysis, we find that it is still necessary to improve the current fault-tolerant quantum computing. This work also discusses which parts should be improved to improve quantum computing performance.

융합컴퓨터의 유형과 주요 기술 동향

성낙선,정명애 에스케이텔레콤 (주) 2009 Telecommunications Review Vol.19 No.5

본 논문에서는 컴퓨터의 저전력·소형화에 따른 나노, 바이오 등의 기술을 접목한 융합컴퓨터 기술 동향에 대해 알 아본다. 컴퓨터는 시간이 흐름에 따라 점점 그 집적도를 높여가고 있으며 이와 더불어 저전력화 고집적화 반도체 기술 을 요구하고 있다. 이와 반면 반도체의 집적도는 최근 30nm의 기술을 선보임에 따라 거의 한계에 다다르고 있다. 이 를 해결하기 위한 노력이 나노·양자·바이오컴퓨터 등의 기술이 등장하고 있으며 또한 이들은 상호 혼합되어 사용되 기도 한다.

양자컴퓨터 기술 동향 및 산업 응용

이혁성(Hyeokseong Lee) 한국콘텐츠학회 2019 한국콘텐츠학회지 Vol.17 No.2

양자내성암호를 활용한 경량 보안 프로토콜 설계

장경배,심민주,서화정 한국정보처리학회 2020 정보처리학회논문지. 컴퓨터 및 통신시스템 Vol.9 No.8

As the IoT (Internet of Things) era is activated, a lot of information including personal information is being transmitted through IoT devices. For information protection, it is important to perform cryptography communication, and it is required to use a lightweight security protocol due to performance limitations. Currently, most of the encryption methods used in the security protocol use RSA and ECC (Elliptic Curve Cryptography). However, if a high performance quantum computer is developed and the Shor algorithm is used, it can no longer be used because it can easily solve the stability problems based on the previous RSA and ECC. Therefore, in this paper, we designed a security protocol that is resistant to the computational power of quantum computers. The code-based crypto ROLLO, which is undergoing the NIST (National Institute of Standards and Technology) post quantum cryptography standardization, was used, and a hash and XOR computation with low computational consumption were used for mutual communication between IoT devices. Finally, a comparative analysis and safety analysis of the proposed protocol and the existing protocol were performed. IoT (Internet of Things) 시대가 활성화되면서 개인정보를 포함한 많은 정보들이 IoT 디바이스들을 통해 전달되고 있다. 정보보호를 위해 디바이스끼리 상호 암호화하여 통신하는 것이 중요하며 IoT 디바이스 특성상, 성능의 제한으로 인해 경량 보안 프로토콜 사용이 요구된다. 현재 보안 프로토콜에서 사용하는 암호 기법들은 대부분 RSA, ECC (Elliptic Curve Cryptography)를 사용하고 있다. 하지만 고사양의 양자 컴퓨터가 개발되고 쇼어 알고리즘을 활용한다면 앞선 RSA와 ECC가 근거하는 안정성의 문제를 쉽게 해결할 수 있기 때문에 더 이상 사용할 수 없다. 이에 본 논문에서는 양자 컴퓨터의 계산능력에 내성을 가지는 보안 프로토콜을 설계하였다. 미국 NIST (National Institute of Standards and Technology) 양자내성암호 표준화 공모전을 진행중인 코드기반암호 ROLLO를 사용하였으며, IoT 디바이스끼리의 상호 통신을 위해 연산 소모가 적은 해시, XOR연산을 활용하였다. 마지막으로 제안하는 프로토콜과 기존 프로토콜의 비교 분석 및 안전성 분석을 실시하였다.

Surface Code FTQC에서의 개수 증가형 고신뢰 논리적 큐비트 구현 기술

안승주,최병수 한국정보과학회 2024 정보과학회논문지 Vol.51 No.4

양자컴퓨팅이 기존 컴퓨팅의 한계를 돌파하기 위해서는, 양자컴퓨터가 처리 가능한 계산 용량이 증가해야 한다. 하지만 양자 하드웨어의 높은 오류율로 인하여 양자컴퓨터의 계산 용량을 증가시키는 것은 기술적인 어려움을 수반한다. 현재 보편적으로 사용되는 방식은 surface-code 기반 결함허용 양자컴퓨팅 방식으로써, 물리적 큐비트와 게이트의 요구 오류율이 다른 기술에 비해 낮다는 장점을 가지고 있다. 그러나 surface-code 방식 역시 초기 단계의 접근법으로써 다양한 기술적 이슈를 포함하고 있는데 양자컴퓨팅 구현에 사용되는 큐비트 수가 너무 많다는 것이 대표적인 문제점이다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존 surface-code 기반 결함허용 양자컴퓨팅에서 주로 사용되는 크기 증가형 방식이 아닌 다수의 하위 수준 논리적 큐비트를 사용하는 방식을 제안한다. 제안하는 방식은 블록 코드 방식에서 사용하는 방식을 surface-code 방식에 적용한 기술이다. 분석결과 동일한 큐비트 자원량을 가정할 때 제안한 기술이 더 낮은 논리적 오류율 특성이 나타남을 확인하였다. 이러한 연구를 토대로 기존의 surface-code방식의 효율성을 개선할 수 있을 것으로 기대한다. To achieve the quantum advantage, the quantum computing size should be increased. However, the quantum computational power cannot be easily increased because of the high error rates on qubits and gates. To overcome such problem, the surface code based on the fault-tolerant quantum computation model has been investigated a lot since it works with relatively higher error rates in theory. However, In practice, we need many improvements on the surface code such as the requirement of a large number of physical qubits. Therefore, in this work, we propose a logical qubit design method, which exploits the multiple lower level qubits unlike the conventional bigger-sized qubit design method. This method uses the concept of the block-code scheme. The analysis result shows that the proposed method achieves a lower error rate than the bigger-sized logical qubits with the same number of physical qubits. In conclusion, we believe this approach can improve the resource efficiency of the surface code FTQC.

0과 1의 해석학 ―수학, 디지털 및 양자정보, 그리고 주역과 노장

오태석 ( Oh Tae-suk ) 한국중국어문학회 2018 中國文學 Vol.97 No.-

This paper mainly put emphasis on the concept of ‘ambiguity’ and ‘ambivalence’, not on ‘clarity’ in regard to information theory. The specific contents are about the humanistic implies of the numbers ‘0 and 1’. I describe it into three parts as follows: ① Many interpretations of humanistic math about ‘0 and 1’ which could be extended to the circle and wave in TaiJI(太極) and its center line and its augural meaning of differential equation; probability; set in regard to George Cantor’s diagonal argument; and exponential function and log function which are related with the concept of information bit. ② A comparison of information theory about ‘0 and 1’ in digital computer’s bit with quantum computer’s qbit. ③ Mathematical semiotics of Yin and Yang in Book of Change(Yi-Jing), and Laozhuang’s view of ‘liangxing(兩行)’, i.e. going two-ways simultaneously from the aspect of information theory. In this paper I maintain 3 points as follows: ⓐ Similarity of ambivalence(兩價性) between 0 that includes nothing and infinity and concept of ‘Wu’(無) in Laozi(老子). ⓑ digital computer’s operating system is alternative algorithm i.e. {0/1}. Meanwhile quantum computer is simultaneously ambivalent taking algorithm i.e. {0&1}, which is based on quantum superposition and quantum entanglement. In other words, digital computer is based on the way of optional choice, and quantum computer runs in two different ways simultaneously. I think quantum computer’s operating system is much similar to the process of “Yang from Yin(陰中陽)” and “Yin from Yang(陽中陰)” in YiJing(易經), which is operated in intrinsically mutual complementary way. ⓒ For hundreds of years Western thoughts made much of rational clarity, and in result the thoughts of ambivalence’ (兩價性) in East Asian traditional thoughts are neglected relatively. I think from the impact of Einstein’s Relative Theories and Quantum Mechanics in early decades of 20th century, people start ringing that rational clarity is not always superior to ambivalence and ambiguity, especially in modern science. In this paper I considered the matter of humanistic implies about ‘0 and 1’ especially from information theory. And I would like to evoke the changing situation in recent recognition on ‘ambiguity’ or ‘ambivalence’, unlike past centuries.

움직이는 스핀입자를 이용한 양자얽힘 생성 방법

이혁재,Lee, Hyuk-Jae 한국자기학회 2007 韓國磁氣學會誌 Vol.17 No.1

The generation of entanglement is a very important subject in the quantum computer. Here we suggest the method that generates entanglement between two spin-1/2 particles by using the third moving spin-1/2 particle. We use the $F\"{o}rster$ interaction and the exchange interaction to make the entangled state. 양자얽힘 상태를 만들어내는 것은 매우 중요하다. 근거리에 있는 두 계를 양자얽힘 상태로 만드는 것은 그리 어렵지 않으나 직접 상호작용이 불가능 할 정도로 멀리 떨어져서 고정되어 있는 계들을 양자적으로 얽히게 하는 것은 어려운 문제 중의 하나다. 본 논문에서는 먼 거리에 떨어져있는 스핀-1/2입자들 사이에 양자얽힘 상태를 직접적인 상호작용이 아니라 제 삼의 스핀-l/2를 이용하여 생성할 수 있다는 것을 보였다. 상호작용으로는 $F\"{o}rster$ 상호작용과 스핀-스핀 교환 상호작용을 사용하였다.