양자정보과학
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
양자 정보 과학은 정보 과학과 물리학의 원리를 융합하여 신기술 개발을 목표로 하는 학문으로, 양자 컴퓨터, 양자 암호, 양자 얽힘 등 다양한 분야를 다룬다. 1963년경 맹아적인 연구가 시작되어 1990년에 국제 회의가 개최되었고, 2009년에는 국제 운영 위원회가 설립되었다. 양자 컴퓨터 하드웨어 제작과 양자 암호 기술은 괄목할 만한 발전을 이루었으며, 양자 컴퓨터 소프트웨어 개발도 중요한 연구 분야이다. 양자 알고리즘과 양자 계산 복잡도 이론은 관련 수학 분야이며, 쇼어 알고리즘과 같은 양자 알고리즘의 발전은 현대 암호 체계에 대한 위협을 제기하여 양자 후 암호화 연구를 촉진했다.
더 읽어볼만한 페이지
- 양자정보과학 - 양자 컴퓨터
양자 컴퓨터는 양자역학적 현상을 이용하여 정보를 처리하는 컴퓨터로, 큐비트를 통해 0과 1을 동시에 표현하여 특정 연산에서 기존 컴퓨터보다 빠른 속도를 보이며 암호 해독, 신약 개발 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. - 양자정보과학 - 벨 부등식
벨 부등식은 양자역학과 국소적 숨은 변수 이론의 모순을 보이는 부등식으로, 실험 결과는 벨 부등식의 위반을 통해 양자역학의 비국소성을 시사하며 양자 정보 과학에 중요한 함의를 가진다. - 물리학 사이드바 - 파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다. - 물리학 사이드바 - 양자역학
양자역학은 20세기 초에 개발된 물리학 이론으로, 미시적인 계의 성질과 거동을 설명하며, 불확정성 원리, 파동-입자 이중성 등의 개념을 포함하고, 현대 기술과 현대 물리학에 중요한 영향을 미친다. - 역학 - 파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다. - 역학 - 양자역학
양자역학은 20세기 초에 개발된 물리학 이론으로, 미시적인 계의 성질과 거동을 설명하며, 불확정성 원리, 파동-입자 이중성 등의 개념을 포함하고, 현대 기술과 현대 물리학에 중요한 영향을 미친다.
| 양자정보과학 | |
|---|---|
| 양자 정보 과학 | |
 | |
| 학문 분야 | 물리학, 정보 과학, 컴퓨터 과학 |
| 연구 분야 | 양자 컴퓨팅 양자 암호 양자 얽힘 양자 통신 양자 센서 양자 재료 양자 알고리즘 양자 우위 양자 오류 수정 |
| 세부 분야 | |
| 양자 컴퓨팅 | 초전도 양자 컴퓨팅 이온 트랩 양자 컴퓨팅 중성 원자 양자 컴퓨팅 위상 양자 컴퓨팅 광자 양자 컴퓨팅 실리콘 양자점 양자 컴퓨팅 다이아몬드 NV 센터 양자 컴퓨팅 분자 자석 양자 컴퓨팅 |
| 관련 분야 | 고전 정보 과학 양자 역학 정보 이론 컴퓨터 과학 재료 과학 수학 |
| 역사 | |
| 주요 인물 | 찰스 베넷 데이비드 도이치 피터 쇼어 로브 그로버 아르투르 에케르트 벤저민 슈마허 이그나시오 시락 피터 조르자크 마이클 닐슨 아이작 청 미치오 카쿠 세스 로이드 데이비드 빈 디첸초 |
| 관련 개념 | |
| 주요 개념 | 양자 비트 양자 얽힘 양자 중첩 양자 텔레포테이션 양자 게이트 양자 회로 양자 푸리에 변환 양자 키 분배 양자 프로그래밍 |
| 기타 개념 | 큐디트 양자 채널 양자 용량 양자 복제 불가능성 정리 양자 지배 양자 모드 잠금 양자 스핀 액체 양자 열역학 |
| 연구 및 응용 | |
| 주요 응용 | 양자 암호 양자 시뮬레이션 양자 머신러닝 양자 센서 |
| 연구 동향 | 초전도체 이온 트랩 중성 원자 위상 양자 컴퓨팅 실리콘 양자점 다이아몬드 NV 센터 |
| 참고 자료 | |
| 관련 서적 | 《Quantum Computation and Quantum Information》 (https://www.cambridge.org/core/books/quantum-computation-and-quantum-information/E7833456A8755544583911FF76553842) 《Quantum Information Theory》 (https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-16955-4) |
| 관련 저널 | 《Quantum Information Processing》 《Quantum》 《npj Quantum Information》 |
2. 역사
1963년경, 정보 과학과 물리학의 기본 원리를 융합하여 신기술 창출을 목표로 하는 양자정보과학의 맹아적인 연구가 이루어졌다.
1990년, 양자 정보에 관한 최초의 세계 최대 규모 국제 회의가 개최되었다. 2009년에는 양자 정보 과학 국제 운영 위원회가 설립되었다. 이 회의들을 통해 양자 정보 과학의 기초 학술 및 기술이 급속히 발전했으며, 특히 양자 암호 기술은 현대 정보화 사회에서 통신 안전성을 향상시키는 기간 기술로 기대되고 있다.
2. 1. 일본
일본 국내 대학으로는 도쿄 대학 첨단 과학 기술 연구 센터, 홋카이도 대학 대학원 정보 과학 연구과 광전자 연구실, 다마가와 대학 양자 정보 과학 연구소 등이 있다. 그중에서도 다마가와 대학 양자 정보 과학 연구소는 양자 정보 과학에 특화된 연구소로, 국제적이고 실용적인 연구를 수행하고 있다.3. 주요 분야
양자정보과학의 주요 분야는 다음과 같다:
- '''양자 컴퓨터''': 2010년 이후 구글과 IBM 등에서 많은 투자를 통해 괄목할 만한 성과를 내고 있다. 양자역학에 대한 전문적인 이해가 필요하며, 주로 물리학자들과 관련 공학자들이 연구한다. 마요라나 페르미온이 적합한 소재가 될 가능성이 있다.
- '''양자 암호''': 얽힘 전송으로 일회용 패드 암호의 열쇠 분배 문제를 해결한다. 냉전 시대 첩보원들이 사용했던 일회용 패드 암호는 안전하게 난수열을 나눠 가지면 해독이 불가능하지만, 시간과 비용이 많이 드는 문제가 있었다. 양자 얽힘 쌍을 전송하는 물리적 장치로 복제 불가능성 정리, 파동 함수 붕괴 등 양자역학적 법칙을 통해 안전성을 확보한다. 이미 상용화 단계이며, 2020년 상반기 삼성이 양자 암호 장치를 탑재한 스마트폰을 출시했다.
- '''양자 얽힘''': 양자 암호에서 중요한 역할을 한다. 양자 얽힘 쌍을 안정적으로, 멀리까지 전송하는 장치는 이미 상용화 단계에 이르렀다.
- '''양자 알고리즘''' 및 '''양자 계산 복잡도 이론''': 계산 복잡도 이론의 한 주제로, 양자 튜링 기계에서의 계산을 연구한다. 1994년 피터 쇼어가 소인수 분해 양자 알고리즘을 발표하여 양자 알고리듬의 강력함을 보였다. 쇼어 알고리즘은 RSA나 타원 곡선 암호같은 현대 주요 암호들을 해독할 수 있어, 많은 정보 기관과 기업들의 관심을 받고 투자를 야기했다.
3. 1. 양자 컴퓨터
양자 컴퓨터 하드웨어 제작은 2010년 이전에 비하여 최근 괄목할 만한 성과가 있었다. 구글과 IBM은 양자 컴퓨터 하드웨어 제작에 많은 투자를 하고 있으며 주목할 만한 성과를 내고 있다. 이 연구는 양자역학에 대한 전문적인 이해가 필요하며, 주로 물리학자들과 양자역학과 관련된 공학자들이 연구한다. 현재 수백 큐비트 이상이 되는 양자 컴퓨터가 만들어지고 있으나, 오류 발생이 너무 심하여 아직까지 양자 컴퓨터에 적합한 소재 물질을 만들지 못했다고 할 수 있다. 마요라나 페르미온이 적합한 소재가 될 가능성이 있다.[1]3. 1. 1. 소프트웨어 개발
양자컴퓨터의 소프트웨어 연구도 중요하다. 현재 마이크로소프트에서 만든 양자 프로그래밍 언어 Q#과 IBM에서 만든 양자 프로그래밍 언어 Qiskit이 대표적이다.[1] Cirq 역시 인기있는 양자 프로그래밍 언어이다. 양자 컴퓨터를 위한 프로그래밍 언어와 유능한 양자 프로그래머의 더 큰 커뮤니티가 필요하다. 전통적인 프로그래밍에서 가져올 수 있는 기술의 수가 제한되므로 양자 프로그래밍에는 많은 근본적인 차이점이 있으므로 추가적인 학습 자료가 필요하다.양자정보과학과 관련된 수학 분야에는 양자 알고리듬과 양자 계산 복잡도 이론이 있다. 양자 계산 복잡도 이론은 계산 복잡도 이론의 한 주제다. 양자 튜링 기계에서 계산을 연구한다. 유계 오류 양자 다항시간 문제들의 모임 BQP(bounded-error quantum polynomial time)를 정해놓았다. 1994년 수학자 피터 쇼어가 소인수분해 양자 알고리즘을 발표하여, 양자 알고리듬이 강력할 수 있음을 보여주었다. 만약 1000큐비트 이상이 되는 양자컴퓨터가 있다면 쇼어 알고리즘을 가지고 RSA나 타원 곡선 암호같은 현대 주요 암호들을 순식간에 해독 할 수 있다. 그러므로 많은 정부들의 정보기관과 여러 기업에서 큰 관심을 가졌으며, 양자 컴퓨터 제작, 양자 알고리즘 연구, 양자컴퓨터 소프트웨어 연구 등에 엄청난 연구비 투자를 야기했다. 또한 많은 수학자들 및 암호학자들이 양자 컴퓨터로도 풀기 어려운 차세대 암호(post quantum cryptography)를 연구 중이다.[1]
3. 2. 양자 암호
양자 암호는 전통적인 암호 중 하나인 일회용 패드 암호가 가진 열쇠 분배 문제를 얽힘 전송으로 해결하려는 데에서 출발했다. 일회용 패드 암호에서는 두 사람이 동일한 난수열을 나눠 가지는데, 일단 안전하게 동일한 난수열을 나눠 가지는 데 성공만 하면 암호문을 해독하는 방법은 존재하지 않는 강력한 암호이고 냉전 시대에 첩보원들이 널리 사용했다. 그러나 안전하게 난수열을 나눠 가지는 데에는 시간과 비용이 너무 많이 들었다는 문제가 있다. 그러나 양자 얽힘 쌍을 전송하는 물리적 장치가 있다면, 복제 불가능성 정리 및 파동 함수 붕괴 등 양자역학적 법칙들이 안전성을 제공한다. 그래서 양자 얽힘 쌍을 안정적으로, 멀리까지 전송하는 장치를 만드는 물리학적, 공학적 주제가 있고 사실 이미 상용화 단계이다. 국내에선 2020년 상반기에 삼성이 양자 암호 장치를 탑재한 스마트폰을 출시하였다.[1] 특히 양자 암호 기술은 현대의 정보화 사회에서의 통신의 안전성을 향상시키는 기간 기술로서 기대되고 있다.3. 3. 양자 얽힘
양자 얽힘은 양자 암호에서 중요한 역할을 한다. 일회용 패드 암호는 두 사람이 동일한 난수열을 나눠 가짐으로써 암호문을 해독하는 방법이 존재하지 않는 강력한 암호이다. 하지만 안전하게 난수열을 나눠 가지는 데에는 시간과 비용이 많이 드는 문제가 있었다. 그러나 양자 얽힘 쌍을 전송하는 물리적 장치가 있다면, 복제 불가능성 정리, 파동 함수 붕괴 등 양자역학적 법칙들이 안전성을 제공한다.양자 얽힘 쌍을 안정적으로, 멀리까지 전송하는 장치를 만드는 것은 물리학적, 공학적 과제이며, 이미 상용화 단계에 이르렀다. 국내에서는 2020년 상반기에 삼성이 양자 암호 장치를 탑재한 스마트폰을 출시하였다.[1]
3. 3. 1. EPR 역설과 벨 부등식
양자역학에는 양자 얽힘이라 불리는 양자 상태가 존재한다. 양자 얽힘 상태는 복합적인 계의 부분계를 측정했을 때, 직접 측정되지 않은 다른 부분계의 정보를 얻을 수 있는 상태를 말한다.관측자가 복합계 전체의 상태를 알 수 있는 경우, 양자 얽힘 상태에 있는 계의 부분계에 대해 측정을 수행하기 전후에, 피측정계 이외의 부분계와 직접적으로 상호작용을 하지 않았음에도 불구하고, 피측정계의 측정 결과를 얻는 동시에 다른 부분계의 양자 상태가 변화하고 있음을 알 수 있다. 이는 마치 비국소적인 원격 작용이 피측정계를 통해 다른 부분계에 작용하고 있는 것처럼 보인다. 이처럼 양자 얽힘 상태에 있는 계는 특수 상대성 이론의 광속 불변의 원리에 어긋나는 듯한 상황을 만들어내기 때문에, 양자역학에서의 측정 이론의 여명기에는 양자역학 속에 있는 중대한 역설로서 논의되었다.
가장 유명한 예시는 닐스 보어와 알베르트 아인슈타인 사이에서 일어난 양자역학의 기초를 둘러싼 논쟁에서 비롯된 것으로, 1935년에 발표된 EPR 논문에서 비롯되었다.[1] 아인슈타인은 EPR 논문에서 양자 얽힘 상태에 의해 생기는 비국소적인 상관, 이른바 EPR 상관에 대해 논하며, 이 비국소 상관이 물리적 실재성을 파괴한다는 것을 보였다. 그리고 EPR의 실재성과 양자 얽힘 상태 사이에서 생기는 역설을 양자역학의 이론적인 불완전성을 나타내는 것으로 지적했다.
이 EPR의 역설은 후에 존 S. 벨에 의해 더 일반화된 형태로 논의되었으며, EPR이 제시한 국소 실재론적인 측정 이론이 만족해야 할 조건으로서 벨 부등식을 도출했다.[2]
4. 관련 수학 분야
양자정보과학과 관련된 수학 분야에는 양자 알고리즘과 양자 계산 복잡도 이론이 있다. 양자 계산 복잡도 이론은 계산 복잡도 이론의 한 주제로, 양자튜링기계라는 추상기계를 통해 계산을 연구하며, 유계 오류 양자 다항시간 문제들의 모임인 BQP(bounded-error quantum polynomial time)를 다룬다. 1994년 수학자 피터 쇼어는 소인수분해 양자 알고리즘을 발표하여 양자 알고리즘의 강력함을 보여주었다.[3]
4. 1. 양자 알고리즘
양자 알고리즘과 양자 계산 복잡도 이론은 알고리즘 및 계산 복잡도 이론의 두 가지 주제이다. 1994년, 수학자 피터 쇼어는 소인수 분해를 위한 양자 알고리즘을 발표했는데, 이는 RSA 및 ECC와 같이 널리 사용되는 암호를 깨뜨릴 수 있어 주요 보안 위협을 제기했다.[3] 이는 양자 컴퓨팅 연구에 대한 투자를 증가시키고, 오류 허용 양자 컴퓨팅(FTQC) 시대를 대비하기 위한 양자 후 암호화 개발로 이어졌다.[3]쇼어 알고리즘은 1000큐비트 이상의 양자컴퓨터에서 현대 주요 암호들을 순식간에 해독할 수 있다. 이 때문에 많은 정부 기관과 기업들이 양자 컴퓨터 제작, 양자 알고리즘 연구, 양자컴퓨터 소프트웨어 연구 등에 막대한 연구비를 투자했다. 또한, 많은 수학자와 암호학자들은 양자 컴퓨터로도 풀기 어려운 차세대 암호(post quantum cryptography)를 연구하고 있다.
4. 2. 양자 계산 복잡도 이론
양자 계산 복잡도 이론은 계산 복잡도 이론의 한 주제이다. 양자튜링기계라는 추상기계를 통해 계산을 연구한다. 유계 오류 양자 다항시간 문제들의 모임인 BQP(bounded-error quantum polynomial time)가 정의되어 있다. 1994년 피터 쇼어는 소인수분해 양자 알고리즘을 발표하여 양자 알고리즘의 강력함을 보여주었다. 1000큐비트 이상의 양자컴퓨터가 있다면, 쇼어 알고리즘을 통해 RSA, 타원 곡선 암호와 같은 현대 주요 암호들을 빠르게 해독할 수 있다.[3] 이로 인해 여러 정부 기관과 기업들이 큰 관심을 보였고, 양자 컴퓨터 제작, 양자 알고리즘 연구, 양자 컴퓨터 소프트웨어 연구 등에 막대한 연구비 투자가 이루어졌다. 또한, 많은 수학자와 암호학자들은 양자 컴퓨터로도 풀기 어려운 차세대 암호(post quantum cryptography)를 연구하고 있다.[3]참조
[1]
간행물
Convolution filter embedded quantum gate autoencoder
Cornell University Library, arXiv.org, Ithaca
2019
[2]
논문
Classification of topological quantum matter with symmetries
2016-08-31
[3]
서적
Post-Quantum Cryptography
Springer International Publishing
2020
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com