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전자공학회지

양자 기술을 향한 양자 물리학의 기초 개념

이진형

Published Apr 1, 2018• 0 citations
OpenAlex

Abstract

양자 과학(quantum science)에 기초한 양자 기술 (quantum technology) 분야가 최근 괄목하게 발전하였다. 이 글은 양자 과학 및 양자 기술에 진입하려는데 있어 어려움을 겪는 양자 물리학 초보자를 위한 것이다. 양자 물리학의 기초 개념인 양자 중첩, 양자 간섭, 그리고 양자 얽힘에 대해 논의한다. 특히, 단일 광자를 이용한 양자 광학 사례를 제시하여 이해를 높이고자 하였다.

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자연 현상에 대한 물리학적 이해는 역학, 전자기학, 광학, 핵 물리학, 고체 물리학, 응집물리학, 반도체 물리학등이 있으나 크게 보면, 고전 물리학과 현대 물리학으로 대별할 수 있고, 그 중에서 역학은 물체의 위치변화 (변위), 속도, 가속도 등의 물체의 운동과 힘, 에너지에 관한 이론이다. 역학은 크게 고전 역학과 양자 역학이라는 학문의 체계가 대표적이라고 할 수 있다. 이 두 개의 역학은 인간의 사고에 영향을 미쳤으며, 패러다임 쉬프트에 기여 하였다. 두 학문의 체계는 각각의 범주가 있으며, 범주 안에서 그 역학의 체계가 성립한다. 본 논문은 두 역학의 체계를 살펴보고 각 이론을 우리 현실생활과 결부시켜 고찰하며 서로 다른 범주가 어떤 경우에 상관성(접접)을 가지는가를 고찰 해본다.

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Comparative Analysis of Quantum Computing Performance Analysis Methods

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양자 컴퓨팅은 양자역학적 특성을 이용한 신개념 컴퓨팅을 의미한다. 양자 컴퓨팅과 관련한 연구개발은 크게 활용기술 개발과 구현 기술 개발로 구분되며, 다양한 활용기술과 구현 기술이 제안되고 있다. 현재까지 다양한 구현 기술이 제안되고 있으나, 실제로 비트 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘기 위해서는 다양한 기술적 이슈들이 해결되어야 한다. 이 과정에서 양자 컴퓨팅의 성능에 영향을 끼치는 모든 구성 요소들에 대한 기능적, 성능적 요구 수준을 명확히 분석하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술 연구개발도 최근 급격한 관심을 받고 있다. 관련하여 이미 다수의 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술이 개발되었으나, 양자 컴퓨팅 시스템의 모든 구성요소 중 일부분을 주로 다루고 있거나 혹은 분석 가능 수준이 제한되는 한계점이 지적되고 있다. 이에 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 체계적으로 비교 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이를 달성하기 위하여 최초로 양자 컴퓨팅 풀 스택 구조 관점에서 분석하는 기술을 적용한다. 다음으로 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 양자 컴퓨팅 계산 성능 지표 범위(계산 시간 등)와 도출 능력(분석 시간 등) 측면에서 체계적으로 비교하였다. 결론적으로 본 연구를 통해 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술은 아직까지는 풀 스택 구조를 모두 분석하지 못하고 있으며, 분석 기술 측면에서 해결해야 할 기술적 이슈가 많음을 확인하였다. 이를 통해 최종적으로 향후 지향해야 하는 연구개발 방향성을 제시한다.

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers•Mar 31, 2024•0 citations

양자암호 통신망에서 양자키 관리를 위한 통합 데이터 구조

김현철

양자 역학을 기반으로 하는 양자암호통신에서는 각각의 정보를 개별적인 광자에 실어 전송하기 때문에 일부만 도청하는 것이 기본적으로 불가능하며, 침입자가 광자를 불법적으로 가로채 수신자에게 재전송을 하여도 양자 복제 불가능성원리에 의해 같은 정보를 광자에 실어 보내는 것이 불가능하다. 한편 네트워크 기반 다양한 서비스의 폭발적 증대와 함께 해당 서비스의 보안성 보장이 필수적으로 요구되면서 양자암호 통신망의 구축 및 관련 서비스가 다양한 형태로 추진되고 있다. 그러나 양자키 분배(QKD: Quantum Key Distribution) 기술의 발전과는 별개로 이를 활용한 네트워크 구축및 다양한 양자암호 기반 서비스 제공 방안에 관해서는 많은 연구가 필요한 상태이다. 본 논문에서는 양자암호 장치를기반으로, 다양한 양자암호 통신망 장비 간에 양자키를 전달하고 암호화된 전송환경 구현을 위한 통합 데이터 구조를제안하였다.

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광정보처리 기술을 위한 광자물리학

김경헌, 곽종훈, 이학규 +3 more

근래에 와서 통신 및 정보처리 기술에 있어서 기존의 전자공학적인 방법이 가지는 한계점을 광자공학적인 방법으로 보완하거나 극복하여 고속 및 대용량화를 가능케 하려는 움직임이 있다. 이러한 광통신 및 광정보처리 기술에 필요한 광재료 및 광자소자들에 적용되는 광자물리학을 살펴보고 또 앞으로의 연구 추세를 살펴보기로 한다.

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양자 과학(quantum science)에 기초한 양자 기술 (quantum technology) 분야가 최근 괄목하게 발전하였다. 이 글은 양자 과학 및 양자 기술에 진입하려는데 있어 어려움을 겪는 양자 물리학 초보자를 위한 것이다. 양자 물리학의 기초 개념인 양자 중첩, 양자 간섭, 그리고 양자 얽힘에 대해 논의한다. 특히, 단일 광자를 이용한 양자 광학 사례를 제시하여 이해를 높이고자 하였다.
본 고에서는 최근 IT-NT 융합 기술 중 각광받고 있는 양자 정보통신 기술의 기초 이론 및 최신 동향 그리고, 실제적인 시스템 구현을 위한 구성 요소들을 살펴보고자 한다. 양자정보통신 기술은 광자(光子)의 양자역학적 특성에 기반을 둔 기술로서 양자 이론과 밀접한 관련을 가진 기술 분야이다. 일반적으로 양자정보처리 기술은 크게 양자 컴퓨터(quantum computer)와 양자 암호화(quantum cryptography) 기술, 양자 통신(quantum communication) 등으로 구분된다. 양자정보통신의 각 분야 기술이 아직은 기초연구 수준에 있지만 세계적으로 그 중요성을 인식하고 대규모 투자를 아끼지 않는 분야이기 때문에, 이 분야에 대한 투자를 소홀히 하면 기술 종속 또는 기술 후진국으로 전락할 수도 있다. 그러므로, 본 고에서는 외국의 기술 발전 추세에 대처하고 자체적인 관련 기반 기술을 확보하기 위한 기초 이론과 기술 동향에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
‘양자인문학 시론(試論)’이라는 제목의 이 글은 4차 산업혁명으로 불리는 제2차 기계시대를 맞이하여 고전역학과 다른 새로운 물리학적 세계상을 보여준 지난 백년의 양자역학의 핵심 개념과 논제들을 인문학의 관점에서 바라보고, 그것이 지닌 파급력과 융합 가능성을 필자의 용어인 ‘양자인문학’이라고 하는 새로운 시선에서 고찰하였다. 본고의 목적과 내용, 방법은 다음과 같다. 목적은 양자역학의 중요한 논제들을 인문학의 관점에서 생각하여 물리학 관련 인문융합 연구의 영역을 확장한다. 내용은 관계론적 해석에서 측정의 중요성, 파동-입자 이중성 등 양자역학의 관건적 개념과 논제들의 인문융합적 파급과 확장을 시론적으로 제시한다. 방법은 우리가 살고 있는 세계와 우주에 대한 학제적 장벽에 구속되지 않는 질문과 해석을 통해 보다 확장된 세계 이해에 다가가도록 한다. 본고의 주안점을 요약한다. 인문학과 과학의 융합의 추세 속에서 ‘양자인문학’이라는 새로운 학제를 제안한 이글은 세계 규명의 새로운 성과인 양자역학의 특징들을 인문학으로 연결시켜 미래 지향적 삶의 기반을 다지려는 의도로 시범적으로 작성되었다. 양자역학의 중요한 특징들의 이면에 자리하고 있는 플랑크상수가 야기하는 시공 불연속성과 파동-입자의 상태변화, 카를로 로벨리 등이 제기한 양자역학 관계론적 해석의 철학적 의미, 양자장의 다양한 방면으로의 응용·확장에 중점을 두어 논의를 전개하였다. 장별 내용을 요약한다. 제2장에서는 과학기술시대 인문학의 연구 확장의 필요성에 대해 기술했다. 제3장 양자역학의 주요 논제들에서는 (1) 양자역학의 특징과 핵심 개념에서 ➀ 불확정성 원리, ➁ 양자 중첩, ➂ 양자 얽힘을 설명했다. (2) 세계를 바라보는 상이한 관점들에서는 실재의 문제와 관련하여 실재론과 실증론, (3) 카를로 로벨리 등이 제기한 양자역학의 관계론적 해석을 집중 조명했다. 제4장은 양자인문학의 확장과 적용 가능성을 물리학적으로 또 철학적으로 논했다. 특히 측정과 동시에 파동에서 입자로 변하는 양자역학의 기이한 상태전이를 중심으로 양자시공간의 다양한 해석학적 의미를 보았다. 또한 필자의 전자오락 및 BTC 가격창 변화 같은 전자 관측 실험을 통하여 파동적 중첩과 입자적 발현의 다양한 분야로의 확장과 응용 가능성을 제시하였다. 그 내용들은 양자시공간론의 물리학적 토대와 양자시공간의 다양한 철학적·해석학적 도표, 플랑크상수(ℎ)에 내재된 양자 다발의 불연속성이 초래하는 파동적 비시간으로부터 입자적인 시간의 생성론, 그리고 양자장론에 입각한 양자인문학의 확장 전망이다. 지난 20년간 필자가 수백 권의 물리학 책을 읽은 후 본고를 통해 창의적으로 시도한 ‘양자인문학’의 새로운 학제적 정초와 다양한 확장의 필요성에 대한 논의들이, 관심 독자의 심화 논의를 통해 인문학 연구의 새로운 돌파를 이루어내면 좋겠다.
자연 현상에 대한 물리학적 이해는 역학, 전자기학, 광학, 핵 물리학, 고체 물리학, 응집물리학, 반도체 물리학등이 있으나 크게 보면, 고전 물리학과 현대 물리학으로 대별할 수 있고, 그 중에서 역학은 물체의 위치변화 (변위), 속도, 가속도 등의 물체의 운동과 힘, 에너지에 관한 이론이다. 역학은 크게 고전 역학과 양자 역학이라는 학문의 체계가 대표적이라고 할 수 있다. 이 두 개의 역학은 인간의 사고에 영향을 미쳤으며, 패러다임 쉬프트에 기여 하였다. 두 학문의 체계는 각각의 범주가 있으며, 범주 안에서 그 역학의 체계가 성립한다. 본 논문은 두 역학의 체계를 살펴보고 각 이론을 우리 현실생활과 결부시켜 고찰하며 서로 다른 범주가 어떤 경우에 상관성(접접)을 가지는가를 고찰 해본다.
양자 컴퓨팅은 양자역학적 특성을 이용한 신개념 컴퓨팅을 의미한다. 양자 컴퓨팅과 관련한 연구개발은 크게 활용기술 개발과 구현 기술 개발로 구분되며, 다양한 활용기술과 구현 기술이 제안되고 있다. 현재까지 다양한 구현 기술이 제안되고 있으나, 실제로 비트 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘기 위해서는 다양한 기술적 이슈들이 해결되어야 한다. 이 과정에서 양자 컴퓨팅의 성능에 영향을 끼치는 모든 구성 요소들에 대한 기능적, 성능적 요구 수준을 명확히 분석하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술 연구개발도 최근 급격한 관심을 받고 있다. 관련하여 이미 다수의 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술이 개발되었으나, 양자 컴퓨팅 시스템의 모든 구성요소 중 일부분을 주로 다루고 있거나 혹은 분석 가능 수준이 제한되는 한계점이 지적되고 있다. 이에 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 체계적으로 비교 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이를 달성하기 위하여 최초로 양자 컴퓨팅 풀 스택 구조 관점에서 분석하는 기술을 적용한다. 다음으로 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 양자 컴퓨팅 계산 성능 지표 범위(계산 시간 등)와 도출 능력(분석 시간 등) 측면에서 체계적으로 비교하였다. 결론적으로 본 연구를 통해 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술은 아직까지는 풀 스택 구조를 모두 분석하지 못하고 있으며, 분석 기술 측면에서 해결해야 할 기술적 이슈가 많음을 확인하였다. 이를 통해 최종적으로 향후 지향해야 하는 연구개발 방향성을 제시한다.
양자 역학을 기반으로 하는 양자암호통신에서는 각각의 정보를 개별적인 광자에 실어 전송하기 때문에 일부만 도청하는 것이 기본적으로 불가능하며, 침입자가 광자를 불법적으로 가로채 수신자에게 재전송을 하여도 양자 복제 불가능성원리에 의해 같은 정보를 광자에 실어 보내는 것이 불가능하다. 한편 네트워크 기반 다양한 서비스의 폭발적 증대와 함께 해당 서비스의 보안성 보장이 필수적으로 요구되면서 양자암호 통신망의 구축 및 관련 서비스가 다양한 형태로 추진되고 있다. 그러나 양자키 분배(QKD: Quantum Key Distribution) 기술의 발전과는 별개로 이를 활용한 네트워크 구축및 다양한 양자암호 기반 서비스 제공 방안에 관해서는 많은 연구가 필요한 상태이다. 본 논문에서는 양자암호 장치를기반으로, 다양한 양자암호 통신망 장비 간에 양자키를 전달하고 암호화된 전송환경 구현을 위한 통합 데이터 구조를제안하였다.