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The Journal of Korean Institute of Information Technology

Validation Using QCA Lookup Table and QRAM for Quantum Circuit Operation Verification

Sang-Hyeon Yoon, Jun‐Cheol Jeon

Published May 31, 2020• 0 citations
Publisher

Abstract

양자점 셀룰러 오토마타(QCA, Quantum-dot Cellular Automata)는 크기, 전력 소모, 그리고 정보 전달 속도에서 주목받고 있는 차세대 양자 회로 기술이다. QCA로 설계된 회로들을 검증하는 방법으로는 물리적 증명방법이 있다. 물리적 증명 방법은 시뮬레이션 환경 외에서도 QCA 회로를 검증할 수 있다는 장점이 있지만, 연산이 많이 필요하다는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 QCA 룩업 테이블(QLUT, QCA Look-Up Table)을 사용하여 회로를 검증하는 방법을 제안한다. QLUT를 이용한 검증은 입력에 따른 출력 값이 무엇이 나오는지를 미리 표의 형식으로 만들어 이를 활용하는 방법이다. 해당 방법을 사용함으로써 기존의 물리적 증명의 복잡한 연산을 수행할 필요 없이 더욱 간결하게 회로를 검증할 수 있다. 본 논문에서는 QLUT 기반 검증으로 QRAM(Quantum RAM)의 동작을 검증하고, 기존의 물리적 증명과 QLUT 방식을 비교 분석한다.

DOI
10.14801/jkiit.2020.18.5.31

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Quantum Error Correction Code Scheme used for Homomorphic Encryption like Quantum Computation

한국과학기술정보연구원/과학기술연구망센터, IlKwon Sohn, Jonghyun Lee +3 more

최근 엄청난 계산 능력을 보여주는 양자 컴퓨터와 정보 접근성이 높고 비용이 낮은 클라우드 컴퓨팅에 대한 개발이 활발하 게 이루어지고 있다. 이러한 양자 컴퓨터의 경우 양자오류정정부호가 필수적이며, 클라우드 컴퓨팅의 경우 보안성 및 계산성 을 확보하기 위해 동형암호가 사용될 수 있다. 각각 다른 목적을 위해 사용되는 이 두 기법은 서로 비슷한 가정을 바탕으로 하고 있어, 양자오류정정부호를 기반으로 동형암호를 구성하는 연구들이 진행되어왔다. 따라서 본 논문에서는 일반적인 양자 오류정정부호를 변형하여 동형암호적 양자정보처리가 가능한 기법을 제시한다. 기존의 양자오류정정부호를 이용한 동형암호 기법의 경우 부호를 사용하였지만 오류정정 능력이 전혀 없는데 반해, 제시한 양자오류정정부호 기법을 사용하면 동형암호적 양자정보처리가 가능하면서도, 동시에 양자오류정정부호 본연의 기능인 양자정보의 연산, 저장 중의 오류를 정정할 수 있는 장점이 존재한다.

Jouranl of Information and Security•Sep 30, 2019•0 citations

Generating Metamorphic Test Cases using 2-qubit Quantum Gate Combinations

Woo-Yeob Hyun, Dongsu Kang

양자 컴퓨팅은 노이즈 민감성으로 인해 동일한 회로를 반복 실행하더라도 출력 확률 분포가 매번 달라질 수 있다. 본 연구는 이상적인 환경에서 동일한 출력 분포를 예상할 수 있는 2-큐비트 양자 게이트 조합을 메타모픽 테스트 케이스로 설계하고, Depolarizing, Amplitude Damping, Phase Damping 노이즈 모델을 적용하여 각 노이즈가 출력 확률 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 모든 노이즈 모델에서 노이즈가 0.01에 도달하자 p-value가 유의수준 이하로 떨어져 정의한 메타모픽 관계가 붕괴되었으며, KL-Divergence와 Cosine Similarity를 통해 예상 출력 분포와의 차이가 노이즈 강도에 따라 누적됨을 정량적으로 확인하였다. 메타모픽 테스팅 기법을 양자 게이트 조합에 적용할 때, 제안한 세 가지 지표를 활용하여 메타모픽 관계 판정 가능 여부를 확인하고 그 과정을 정량적으로 추적함으로써 양자 게이트 테스팅을 수행할 수 있다. 연구 결과는 양자 컴퓨팅 신뢰성 평가 및 노이즈 내성 회로 설계 등에 활용될 수 있으며, 다양한 양자 소프트웨어 테스팅 방법론으로 가능성을 제시한다.

Journal of the Korea Society of Computer and Information•May 31, 2026•0 citations

Introduction to Quantum Circuit Implementation Using IBM Qiskit

Sangwon Min, Jungsoo Rhee

양자 컴퓨팅과 양자 기술은 암호학과 국방산업 등 다양한 분야에서 기존의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 제공하는 혁신적인 도구로 간주 되고 있다. 이러한 큰 영향력이 기대됨에도 불구하고 양자 컴퓨팅과 양자 기술을 사용할 수 있게 도와주는 양자 코딩에 대한 관심은 상대적으로 적은 것이 사실이다. 최근에는 접근성이 용이한 양자 코딩 플랫폼의 등장으로 실제 양자 컴퓨터를 활용하거나 양자 시뮬레이터를 통해 양자 코드를 작성하고 동작시킬 수 있는 환경이 조성되고 있다. 이에 따라 본 논문은 상용화된 양자 코딩 플랫폼들을 소개하고 큐비트와 양자 게이트에 대해 알아본다. 또, 이를 바탕으로 IBM의 Qiskit을 활용하여 고전 리플 캐리 덧셈(RCA) 알고리즘을 양자 RCA 회로로 구현하는 과정을 상세히 소개한다.

한국통신학회논문지•Jul 21, 2024•0 citations

Number-based High Fidelity Logical Qubit on the Surface Code FTQC

S. W. An, Byung-Soo Choi

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.

Journal of KIISE•Apr 24, 2024•2 citations

Korean Sentiment Analysis using Quantum Circuit-based Classification Model

박천음

최근 텍스트 분석, 감성 분석 등 영어 데이터 기반 자연어처리 태스크에 대하여 양자 자연어처리(Quantum NLP) 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 한국어 감성 분석을 대상으로 한 양자 자연어 처리 모델을 제안하며, 양자회로 기반 모델이 한국어 문제를 해결할 수 있음을 분석한다. 제안 방법은 사전학습 언어모델의 단어 임베딩을 매개변수화 양자회로(PQC)에 진폭 부호화하고 computational basis 기저상태 확률을 측정하는 양자회로를 기반으로 하며, 모든 양자회로는 실제 양자 하드웨어가 아닌 고전 GPU 상의 상태벡터 시뮬레이션으로 실행된다. 제안 방법은 목적에 따라 두 가지 구성으로 활용된다. 단어 임베딩 위에 PQC를 적용하는 효율 중심 구성은 2∼4qubit 소규모 회로로 구성하며, ansatz, qubit 수, 회로 깊이, 풀링을 최적화한다. NSMC에서 KcELECTRA 대비 약 70% 적은 파라미터만으로 86.1%의 정확도(약 6%p 차이 이내)를 유지하면서 고전 GPU 시 뮬레이션 환경에서 약 1.7배 빠른 추론을 보인다. 한편 KcELECTRA 인코더 위에 PQC를 적용하는 성능 중심 구성은 NSMC 91.8%, 네이버 쇼핑 94.2%로 성능이 향상되는 것을 확인하였다.

Journal of KIISE•Sep 28, 2026•0 citations

The analysis of quantum network simulators

남서울대학교 컴퓨터소프트웨어학과 교수, Hyuncheol Kim

양자암호통신 시장의 신속한 도입과 확대를 위해서는 전용 링크와 네트워크로 구성된 양자암호 통신망을 구축하는 것을 넘어, 더 광범위한 인프라와 서비스 모델이 필요하다. 현재 단계에서는 실제 양자 통신망을 구축하고 이를 실질적으로 활용하는 연구 가 활발히 이루어지고 있지만, 초기 비용이 매우 높다는 점에서 큰 제약이 있다. 따라서 양자 통신망의 구성 및 활용연구를 효과 적으로 수행하기 위해서는 QKDNetSim, NetSquid, 그리고 SeQUeNCe와 같은 양자암호 통신망 시뮬레이션 툴에 대한 기본적인 조사와 활용 방안의 연구가 필수적이다. 본 논문에서는 오픈소스 양자암호 통신망 시뮬레이터의 요구사항과 각 툴의 특징을 체 계적으로 분석하였다. 이를 통해 시뮬레이터들이 제공하는 기능, 장점 및 단점을 비교하고, 이들 시뮬레이터를 활용하여 양자 통 신망의 성능을 극대화하고, 보다 안전하고 효율적인 양자암호통신 솔루션을 개발하는 데 필요한 통찰력을 제공하고자 한다.

Jouranl of Information and Security•Oct 31, 2024•0 citations
양자점 셀룰러 오토마타(QCA, Quantum-dot Cellular Automata)는 크기, 전력 소모, 그리고 정보 전달 속도에서 주목받고 있는 차세대 양자 회로 기술이다. QCA로 설계된 회로들을 검증하는 방법으로는 물리적 증명방법이 있다. 물리적 증명 방법은 시뮬레이션 환경 외에서도 QCA 회로를 검증할 수 있다는 장점이 있지만, 연산이 많이 필요하다는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 QCA 룩업 테이블(QLUT, QCA Look-Up Table)을 사용하여 회로를 검증하는 방법을 제안한다. QLUT를 이용한 검증은 입력에 따른 출력 값이 무엇이 나오는지를 미리 표의 형식으로 만들어 이를 활용하는 방법이다. 해당 방법을 사용함으로써 기존의 물리적 증명의 복잡한 연산을 수행할 필요 없이 더욱 간결하게 회로를 검증할 수 있다. 본 논문에서는 QLUT 기반 검증으로 QRAM(Quantum RAM)의 동작을 검증하고, 기존의 물리적 증명과 QLUT 방식을 비교 분석한다.
최근 엄청난 계산 능력을 보여주는 양자 컴퓨터와 정보 접근성이 높고 비용이 낮은 클라우드 컴퓨팅에 대한 개발이 활발하 게 이루어지고 있다. 이러한 양자 컴퓨터의 경우 양자오류정정부호가 필수적이며, 클라우드 컴퓨팅의 경우 보안성 및 계산성 을 확보하기 위해 동형암호가 사용될 수 있다. 각각 다른 목적을 위해 사용되는 이 두 기법은 서로 비슷한 가정을 바탕으로 하고 있어, 양자오류정정부호를 기반으로 동형암호를 구성하는 연구들이 진행되어왔다. 따라서 본 논문에서는 일반적인 양자 오류정정부호를 변형하여 동형암호적 양자정보처리가 가능한 기법을 제시한다. 기존의 양자오류정정부호를 이용한 동형암호 기법의 경우 부호를 사용하였지만 오류정정 능력이 전혀 없는데 반해, 제시한 양자오류정정부호 기법을 사용하면 동형암호적 양자정보처리가 가능하면서도, 동시에 양자오류정정부호 본연의 기능인 양자정보의 연산, 저장 중의 오류를 정정할 수 있는 장점이 존재한다.
양자 컴퓨팅은 노이즈 민감성으로 인해 동일한 회로를 반복 실행하더라도 출력 확률 분포가 매번 달라질 수 있다. 본 연구는 이상적인 환경에서 동일한 출력 분포를 예상할 수 있는 2-큐비트 양자 게이트 조합을 메타모픽 테스트 케이스로 설계하고, Depolarizing, Amplitude Damping, Phase Damping 노이즈 모델을 적용하여 각 노이즈가 출력 확률 분포에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, 모든 노이즈 모델에서 노이즈가 0.01에 도달하자 p-value가 유의수준 이하로 떨어져 정의한 메타모픽 관계가 붕괴되었으며, KL-Divergence와 Cosine Similarity를 통해 예상 출력 분포와의 차이가 노이즈 강도에 따라 누적됨을 정량적으로 확인하였다. 메타모픽 테스팅 기법을 양자 게이트 조합에 적용할 때, 제안한 세 가지 지표를 활용하여 메타모픽 관계 판정 가능 여부를 확인하고 그 과정을 정량적으로 추적함으로써 양자 게이트 테스팅을 수행할 수 있다. 연구 결과는 양자 컴퓨팅 신뢰성 평가 및 노이즈 내성 회로 설계 등에 활용될 수 있으며, 다양한 양자 소프트웨어 테스팅 방법론으로 가능성을 제시한다.
양자 컴퓨팅과 양자 기술은 암호학과 국방산업 등 다양한 분야에서 기존의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 제공하는 혁신적인 도구로 간주 되고 있다. 이러한 큰 영향력이 기대됨에도 불구하고 양자 컴퓨팅과 양자 기술을 사용할 수 있게 도와주는 양자 코딩에 대한 관심은 상대적으로 적은 것이 사실이다. 최근에는 접근성이 용이한 양자 코딩 플랫폼의 등장으로 실제 양자 컴퓨터를 활용하거나 양자 시뮬레이터를 통해 양자 코드를 작성하고 동작시킬 수 있는 환경이 조성되고 있다. 이에 따라 본 논문은 상용화된 양자 코딩 플랫폼들을 소개하고 큐비트와 양자 게이트에 대해 알아본다. 또, 이를 바탕으로 IBM의 Qiskit을 활용하여 고전 리플 캐리 덧셈(RCA) 알고리즘을 양자 RCA 회로로 구현하는 과정을 상세히 소개한다.
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.
최근 텍스트 분석, 감성 분석 등 영어 데이터 기반 자연어처리 태스크에 대하여 양자 자연어처리(Quantum NLP) 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 한국어 감성 분석을 대상으로 한 양자 자연어 처리 모델을 제안하며, 양자회로 기반 모델이 한국어 문제를 해결할 수 있음을 분석한다. 제안 방법은 사전학습 언어모델의 단어 임베딩을 매개변수화 양자회로(PQC)에 진폭 부호화하고 computational basis 기저상태 확률을 측정하는 양자회로를 기반으로 하며, 모든 양자회로는 실제 양자 하드웨어가 아닌 고전 GPU 상의 상태벡터 시뮬레이션으로 실행된다. 제안 방법은 목적에 따라 두 가지 구성으로 활용된다. 단어 임베딩 위에 PQC를 적용하는 효율 중심 구성은 2∼4qubit 소규모 회로로 구성하며, ansatz, qubit 수, 회로 깊이, 풀링을 최적화한다. NSMC에서 KcELECTRA 대비 약 70% 적은 파라미터만으로 86.1%의 정확도(약 6%p 차이 이내)를 유지하면서 고전 GPU 시 뮬레이션 환경에서 약 1.7배 빠른 추론을 보인다. 한편 KcELECTRA 인코더 위에 PQC를 적용하는 성능 중심 구성은 NSMC 91.8%, 네이버 쇼핑 94.2%로 성능이 향상되는 것을 확인하였다.
양자암호통신 시장의 신속한 도입과 확대를 위해서는 전용 링크와 네트워크로 구성된 양자암호 통신망을 구축하는 것을 넘어, 더 광범위한 인프라와 서비스 모델이 필요하다. 현재 단계에서는 실제 양자 통신망을 구축하고 이를 실질적으로 활용하는 연구 가 활발히 이루어지고 있지만, 초기 비용이 매우 높다는 점에서 큰 제약이 있다. 따라서 양자 통신망의 구성 및 활용연구를 효과 적으로 수행하기 위해서는 QKDNetSim, NetSquid, 그리고 SeQUeNCe와 같은 양자암호 통신망 시뮬레이션 툴에 대한 기본적인 조사와 활용 방안의 연구가 필수적이다. 본 논문에서는 오픈소스 양자암호 통신망 시뮬레이터의 요구사항과 각 툴의 특징을 체 계적으로 분석하였다. 이를 통해 시뮬레이터들이 제공하는 기능, 장점 및 단점을 비교하고, 이들 시뮬레이터를 활용하여 양자 통 신망의 성능을 극대화하고, 보다 안전하고 효율적인 양자암호통신 솔루션을 개발하는 데 필요한 통찰력을 제공하고자 한다.