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Journal of Intelligence and Information Systems

When Does Quantum Machine Learning Outperform Classical Machine Learning? Identifying Dataset Characteristics That Enable Quantum Advantage

Sungmin Kim, Juntaek Oh, Zichen Luo, Sujin Bae, Ohbyung Kwon

Published Sep 30, 2026• 0 citations
Publisher

Abstract

양자머신러닝(Quantum Machine Learning, QML)에 대한 기업의 관심이 높아지고 있음에도 불구하고, 조직들은 언제 QML 투자가 고전 머신러닝 대안보다 정당화되는지를 판단할 데이터 기반 프레임워크를 갖추지 못하고 있다. 본 연구는 PRISMA 2020 체계적 문헌고찰을 통해 확인된 35편의 동료심사 연구로부터 추출한 92개 벤치마크 데이터셋을 대상으로, 양자 우위 발현 조건에 대한 최초의 메타분석적 ․ 통계적 검증 연구를 수행함으로써 이러한 공백을 다룬다. 각 데이터셋에 대해 표본 규모, 차원성, 노이즈 수준, 비선형 구조, 특성 간 상관관계를 아우르는 18개의 측정 가능한 데이터 특성을 추출하고, 최고 성능 QML모델과 고전 최신기법(SOTA) 간의 성능 격차(Gap_from_SOTA)를 산출하였다. 비모수 집단비교, HC3 이분산성-강건표준오차를 적용한 다중회귀분석, 그리고 5개 모델(XGBoost, LightGBM, CatBoost, RandomForest, GradientBoosting)에 대한 SHAP 설명가능 인공지능을 활용한 앙상블 머신러닝이라는 세 가지 독립적 분석 방법이 적용되었다. 분석 결과, 노이즈 수준, 비선형성 격차, 최대 특성 간 상관관계가 QML 우위를 결정하는 세 가지 지배적 예측변수로 일관되게 확인되었으며, 5개 앙상블 모델 전반에서 특성 중요도 순위가 동일하게 나타났다. 이들 예측변수로부터 QML이 고전 방법을 능가할 가능성이 높은 조건, 즉 낮은 노이즈, 우호적인 비선형 구조, 약한 특성 간 상관관계를 함께 특징짓는 정량적 의사결정 임계값을 도출하였다. 도메인 분석 결과 에너지/전력 및 기상/기후 분야에서 유의하게 높은 양자 우위가 나타난 반면, 약물/화학 및 금융 분야는 고전 방법에 유리한 것으로 나타났다. 시계열 과제는 QML의 이점이 가장 큰 반면, 다중분류는 고전ML에 유리한 경향을 보였다. 아키텍처 중에서는 QLSTM 계열 모델이 가장 높고 일관된 우위를 달성하였다.

DOI
10.13088/jiis.2026.32.3.501

Related papers

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

Comparative Analysis of Quantum Computing Performance Analysis Methods

Duwon Lee, Byung-Soo Choi

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

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

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

A Decision Transformer-Based Scheduling Method for Improving Service Rate in Quantum Networks

Yeong-Jun Seok, Dae-Gun Kang, Chankyun Lee +2 more

양자 네트워크는 보안 통신, 분산 양자 컴퓨팅, 고급 양자 기반 서비스 등을 실현하기 위한 핵심 인프라로 주목받고 있다. 그러나 실제 환경에서는 제한된 양자 자원, 짧은 Coherence time, 채널 손실 및 환경적 교란 등으로 인해 안정적인 운용이 어려운 과제에 직면해 있다. 이러한 제약 조건하에서 종단 간 요청 스케줄링의 효율성은 자원 활용도와 네트워크 신뢰성을 좌우하는 핵심 요소이다. 기존 연구들은 주로 충실도와 지연 최적화에 집중하였으나, 현실적인 운용 조건에서 서비스 처리율을 극대화하는 측면은 충분히 다루어지지 않았다. 본 논문에서는 Offline Reinforcement Learning기반의 스케줄링 프레임워크를 제안한다. 제안된 방법은 Decision Transformer와 Graph Attention Network를 결합하여, 요청 도착의 시간적 패턴과 네트워크 토폴로지 구조를 동시에 반영할 수 있도록 설계되었다. NetSquid 시뮬레이션을 통해 5X5 GRID 토폴로지와 46노드 Hefei metropolitan QKD 네트워크를 대상으로 평가한 결과, 제안된 모델은 기존의 Best-FIFO 및 일반적인 Offline Reinforcement Learning 기법인 Conservative Q-Learning 기법 대비 서비스 처리율에서 최대 약 5%, 평균적으로 3%의 향상을 보였다. 동시에 충실도는 0.8~0.9 범위를 안정적으로 유지하며, 지연 시간 또한 기존 방법과 동등한 수준으로 관리되었다. 이러한 결과는 제안된 Graph Attention Network와 결합한 Decision Transformer 기반 스케줄링 기법이 다양한 양자 네트워크 조건에서 효율성과 신뢰성을 균형 있게 달성할 수 있는 실질적인 방법임을 입증한다.

한국통신학회논문지•May 20, 2026•0 citations

Integrated Data Structure for Quantum Key Management in Quantum Cryptographic Network

남서울대학교 컴퓨터소프트웨어학과 교수, Hyuncheol Kim

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.

Jouranl of Information and Security•Mar 31, 2021•0 citations
양자머신러닝(Quantum Machine Learning, QML)에 대한 기업의 관심이 높아지고 있음에도 불구하고, 조직들은 언제 QML 투자가 고전 머신러닝 대안보다 정당화되는지를 판단할 데이터 기반 프레임워크를 갖추지 못하고 있다. 본 연구는 PRISMA 2020 체계적 문헌고찰을 통해 확인된 35편의 동료심사 연구로부터 추출한 92개 벤치마크 데이터셋을 대상으로, 양자 우위 발현 조건에 대한 최초의 메타분석적 ․ 통계적 검증 연구를 수행함으로써 이러한 공백을 다룬다. 각 데이터셋에 대해 표본 규모, 차원성, 노이즈 수준, 비선형 구조, 특성 간 상관관계를 아우르는 18개의 측정 가능한 데이터 특성을 추출하고, 최고 성능 QML모델과 고전 최신기법(SOTA) 간의 성능 격차(Gap_from_SOTA)를 산출하였다. 비모수 집단비교, HC3 이분산성-강건표준오차를 적용한 다중회귀분석, 그리고 5개 모델(XGBoost, LightGBM, CatBoost, RandomForest, GradientBoosting)에 대한 SHAP 설명가능 인공지능을 활용한 앙상블 머신러닝이라는 세 가지 독립적 분석 방법이 적용되었다. 분석 결과, 노이즈 수준, 비선형성 격차, 최대 특성 간 상관관계가 QML 우위를 결정하는 세 가지 지배적 예측변수로 일관되게 확인되었으며, 5개 앙상블 모델 전반에서 특성 중요도 순위가 동일하게 나타났다. 이들 예측변수로부터 QML이 고전 방법을 능가할 가능성이 높은 조건, 즉 낮은 노이즈, 우호적인 비선형 구조, 약한 특성 간 상관관계를 함께 특징짓는 정량적 의사결정 임계값을 도출하였다. 도메인 분석 결과 에너지/전력 및 기상/기후 분야에서 유의하게 높은 양자 우위가 나타난 반면, 약물/화학 및 금융 분야는 고전 방법에 유리한 것으로 나타났다. 시계열 과제는 QML의 이점이 가장 큰 반면, 다중분류는 고전ML에 유리한 경향을 보였다. 아키텍처 중에서는 QLSTM 계열 모델이 가장 높고 일관된 우위를 달성하였다.
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.
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.
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.
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.
양자 네트워크는 보안 통신, 분산 양자 컴퓨팅, 고급 양자 기반 서비스 등을 실현하기 위한 핵심 인프라로 주목받고 있다. 그러나 실제 환경에서는 제한된 양자 자원, 짧은 Coherence time, 채널 손실 및 환경적 교란 등으로 인해 안정적인 운용이 어려운 과제에 직면해 있다. 이러한 제약 조건하에서 종단 간 요청 스케줄링의 효율성은 자원 활용도와 네트워크 신뢰성을 좌우하는 핵심 요소이다. 기존 연구들은 주로 충실도와 지연 최적화에 집중하였으나, 현실적인 운용 조건에서 서비스 처리율을 극대화하는 측면은 충분히 다루어지지 않았다. 본 논문에서는 Offline Reinforcement Learning기반의 스케줄링 프레임워크를 제안한다. 제안된 방법은 Decision Transformer와 Graph Attention Network를 결합하여, 요청 도착의 시간적 패턴과 네트워크 토폴로지 구조를 동시에 반영할 수 있도록 설계되었다. NetSquid 시뮬레이션을 통해 5X5 GRID 토폴로지와 46노드 Hefei metropolitan QKD 네트워크를 대상으로 평가한 결과, 제안된 모델은 기존의 Best-FIFO 및 일반적인 Offline Reinforcement Learning 기법인 Conservative Q-Learning 기법 대비 서비스 처리율에서 최대 약 5%, 평균적으로 3%의 향상을 보였다. 동시에 충실도는 0.8~0.9 범위를 안정적으로 유지하며, 지연 시간 또한 기존 방법과 동등한 수준으로 관리되었다. 이러한 결과는 제안된 Graph Attention Network와 결합한 Decision Transformer 기반 스케줄링 기법이 다양한 양자 네트워크 조건에서 효율성과 신뢰성을 균형 있게 달성할 수 있는 실질적인 방법임을 입증한다.
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.