양자 정보학 강의 (Quantum Information Lecture)
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양자 정보학을 교양인 수준으로 이해할 수 있도록 하는 자료입니다. * NHA TED 발표 예정 자료
양자 정보학 강의 (Quantum Information Lecture)
- 1. 제63기 신임관리자(공채) 과정 전산(정보보호) 윤승용 1양 자 정 보 학 강 의 관심 있는 것 • 개발, 보안, 한문학, 작곡, 수영
- 2. 정보통신기술진흥센터(IITP) ICT SPOT Issue (2018-02호) (2018. 3. 23.) 양자컴퓨터 개발 동향과 시사점 › MIT가 2018년 10대 혁신 기술 (10 Breakthrough Technologies 2018) 의 하나로 ‘재료의 양자 도약(Materials' Quantum Leap)’을 선정하고, Gartner, Deloitte 등 시장조사 및 컨설팅 등을 포함한 주요 기관들이 양자컴퓨터(Quantum Computer)가 미칠 영향 등과 관련한 예측과 평가를 내놓는 등 양자컴퓨터가 2018년 ICT 산업계의 핵심 키워드 중 하나로 부상하고 있다. 무엇보다 IBM, Google 등이 잇달아 상용화 계획을 발표하며 글로벌 이목이 더욱 집중되고 있는 상황이다. › 양자컴퓨터란 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement) 등 양자 역학적 현상을 이용하여 다수의 정보를 동시에 연산할 수 있도록 구현된 컴퓨터로 특정 연산에 최적화된 초고속 대용량 컴퓨팅 기술로 정의된다. 병렬 연산 처리능력을 기반으로 기존 컴퓨터 대비 비교 불가 수준으로 월등한 연산 성능을 자랑하며, 이를 기반으로 기존 산업에 커다란 영향을 미칠 것으로 기대되고 있다. › 현재 미국, 유럽, 중국, 일본 등 주요국에서 양자컴퓨터 개발에 대한 정책적 지원이 활발하게 전개되고 있고, 개별 기업 측면에서도 IBM, Google, Microsoft, Intel 등 글로벌 기업이 선행하고 있는 가운데 D-Wave Systems, Rigetti Computing 등 관련 주요 Start-up들에 대한 투자도 이어지고 있는 상황이다. 2양 자 정 보 학 강 의
- 4. Motivation › 양자 코딩을 어떻게 할 수 있을까? 4양 자 정 보 학 강 의
- 5. Realization “상상과는 너무나도 다른 양자 코딩” 양 자 정 보 학 강 의 5 처음 상상한 양자 코딩 양자 정보학 기초 (1~3장) 양자 정보학 (4~6장) 양 자 전 산 양 자 암 호 양 자 전 송
- 6. Goal › 양자 코딩을 익힌다 › 양자의 특성을 대충 이해하고 양자 정보학의 각 분야를 안다 – 키워드 : 양자quantum, 측정measurement, 중첩superposition, 얽힘entanglement – 분야 : 양자 전산computation, 양자 암호cryptography, 양자 전송teleportation 양 자 정 보 학 강 의 6 (전제 : 빛의 이중성(파동성과 입자성)을 알고 있다) < 목표 수준 > 일반인 •양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터보다 빠르대 교양인 •양자 정보학이란 이런 것이야 전공자 •이 분야는 이렇게 증명할 수 있어
- 7. 양자 정보학 기초 용어 › 양자quantum : 이산적인 상태를 취하는 물리량의 단위량 – 예) 광자 (전자기장의 양자) › 파동 함수wave function : 양자의 상태를 나타내는 식 – 예) 수직/수평 편광 상태를 가지는 광자의 파동 함수 › 측정measurement : 양자의 상태를 관측하는 것. 파동 함수가 붕괴됨 – 예) 위 광자를 측정하면 (수평) 또는 (수직) 상태로만 고정된다 › 중첩superposition : 여러 상태를 동시에 갖는 상태 – 예) 위 광자는 (수평) 상태와 (수직) 상태를 동시에 갖고 있다 › 얽힘entanglement : 한 양자를 측정하면 다른 양자가 저절로 결정되는 두 양자 – 예) 두 양자 A, B 양 자 정 보 학 강 의 7
- 8. 양자 전산 분야 › 양자 컴퓨터에서 동작하는 프로그램을 만드는 분야 › 큐비트qubit : 0과 1을 동시에 갖는 양자 › 코딩 방법 : 양자를 잘 회전시켜서 중첩시킨 뒤 측정한다. – 회전 : 양자의 방향을 틀어서 상태를 중첩 › 예) 을 y축으로 90도 회전 : › 회전을 게이트(도형)로 표현하여 알고리즘을 회로로 표현 › 쇼어 알고리즘Shor’s algorithm : 매우 빠른 소인수 분해 알고리즘. – 특징 : 현대 암호 체계를 무력화시킬 가능성이 크다 양 자 정 보 학 강 의 8 • IBM Q Experience • Microsoft Q#
- 9. 양자 암호 분야 › 양자의 특성을 통해 안전한 비밀 교환 방법을 만드는 분야 › 복제 불가 정리 : 임의의 모르는 상태를 복사해주는 양자 복사기는 존재하지 않는다 › 편광 코딩 암호 (BB84, B92) : ↔, ↕, ↗, ↘ 광자와 ＋, × 측정 기저를 이용하여 광자 유추와 도청 테스트를 통해 비밀 교환 › 얽힘 암호 (E91) : 얽힌 광자와 투과축을 이용하여 비밀 교환 양 자 정 보 학 강 의 9
- 10. 양자 전송 분야 › 얽힘을 이용해 모르는 양자 상태를 공간적으로 이동시키는 분야 – 양자 자체를 물리적으로 옮기는 것이 아니라 상태만 이동 – 복제 불가 정리에 따라 복사는 불가능하고 이동만 가능 › 전송 원리 양 자 정 보 학 강 의 10 C A B Alice Bob 전송할 양자 C 통신을 위해 서로 교환한 얽힌 양자 A, B 1. Alice가 상태를 모르는 양자 C를 Bob에게 전송하고자 함 2. Alice와 Bob가 서로 얽힌 양자 A, B를 각각 소지 • 양자 A, B, C는 하나의 계(system)에 속함 3. Alice가 A와 C를 측정 • A와 C는 측정으로 인해 파동 함수가 붕괴됨 4. Bob이 소지한 B는 얽힘으로 인해 저절로 C와 동일해짐 • 단, Alice가 측정 결과를 Bob에게 알려줘야 함
- 11. Summary › 양자 정보학 – 중첩, 얽힘 등 양자의 특성을 이용하여 획기적으로 정보를 처리하는 방법을 연구하는 학문 › 양자 정보학의 분야 – 양자 전산 › 양자 컴퓨터를 이용하여 프로그램을 만드는 방법을 연구하는 분야 – 양자 암호 › 양자의 특성을 이용하여 비밀을 교환하는 방법을 연구하는 분야 – 양자 전송 › 양자의 얽힘을 이용하여 양자의 상태를 전송하는 방법을 연구하는 분야 양 자 정 보 학 강 의 11 큐비트, 쇼어 알고리즘 복제 불가 정리 양자 상태 이동