정융탐 중간발표

계획발표에서는 블록체인, 암호화에 초점을 맞춰 주제를 선정 했으나, qiskit 라이브러리가 양자역학의 구현에 초점이 맞춰진 라이브러리라는 사실을 알게 되어 아래와 같이 주제를 약간 보완하여 중간발표를 진행하였다.

 

2024학년도 정보과학융합탐구 모둠 자유주제 중간보고서

‘양자역학 기술이 적용된 컴퓨팅 기술’

파이썬을 통한 양자역학 원리 구현 및 비교   _________________________________________________________________________

 

연구내용 요약

파이썬의 라이브러리를 통해 양자역학의 원리를 구현해보고 각 라이브러리 간 구현결과를 비교해본다.

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이론적 배경

파동 입자 이중성

양자 물질이 어떤 때는 입자처럼 행동하다가 어떤 때는 파동처럼 행동하는데 이런 성질을 일일컬어서 파동 입자 이중성이라고 한다. 양자 역학에서 파동-입자 이중성은 특히 빛 뿐만 아니라 모든 입자에 대해 적용된다. 예를 들어, 전자, 중성자, 양성자 등의 입자들도 파동-입자 이중성을 보인다. 이중성은 양자 시스템의 특성을 설명하고, 예측하는 데 필수적이다. 

양자 중첩

양자 중첩(Quantum superposition)은 양자 역학에서 중요한 개념이다. 양자 중첩은 양자 메커니즘에서 발생하는 현상으로, 양자 상태가 여러 가능성을 동시에 가질 수 있는 현상을 뜻한다. 물리학에서는 물체가 특정한 상태를 가지고 있을 때, 다른 상태에 동시에 있을 수 없다고 생각한다. 하지만 양자 역학에서는 양자 입자가 동시에 여러 상태에 존재할 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 상태를 양자 중첩 상태라고 한다. 

양자 중첩 활용

예를 들어, 양자 비트 또는 큐비트(Qubit)라고 불리는 양자 상태의 경우, 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다. 즉, 양자 중첩은 양자 시스템이 한 가지 상태가 아니라 여러 상태의 선형 조합으로 표현될 수 있다는 것을 의미한다. 이는 양자 컴퓨터와 같은 양자 시스템에서 병렬 계산과 정보 처리를 가능하게 한다.

 

양자 얽힘

양자 역학에서 중요한 개념 중 하나로, 양자 시스템들 간에 특이한 상호 연관성을 묘사하는 현상이다. 양자 얽힘은 두 개 이상의 양자 시스템이 서로 상호 작용하여 그 상태가 서로 연결되어 있음을 나타낸다. 양자 얽힘의 가장 특이한 특성 중 하나는 양자 상태가 한 번 얽힌 이후에는 어떤 거리에 있든 상호 작용하여 상태를 변경할 수 있다는 것이다. 이는 양자 역학에서의 "비지역성(non-locality)"의 한 예시이다. 두 개의 양자가 서로 얽혀 있을 때, 하나의 양자의 상태가 변경되면 다른 양자의 상태도 즉시 변경되는 것을 관찰할 수 있다.

양자 얽힘 활용

양자 얽힘은 양자 컴퓨팅 및 양자 통신과 같은 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 양자 얽힘을 이용하여 양자 통신에서는 보안이 보장되는 통신이 가능하며, 양자 컴퓨팅에서는 양자 얽힘을 이용하여 병렬 계산과 정보 처리를 수행할 수 있다. 양자 얽힘은 양자 역학의 중요한 예시 중 하나로, 그 특이한 특성으로 인해 현대 물리학에서 계속해서 연구되고 있다.

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사용할 언어 및 라이브러리

Python(파이썬)

간결하고 가독성이 뛰어난 언어로 현재 다양한 분야에서 활용되고 있다.

=> 선택한 이유: 라이브러리 사용이 가능하고 간결함.

 

Cryptographic 라이브러리

Python을 통해 문자를 암호화 할 수 있고 토큰, 키, 무결성, 복호화 등 암호화 과정의 요소들을 가지고 있다.

=> 선택한 이유: 라이브러리를 불러와 사용할 수 있고 어려운 내용의 원리들도 내재되어 있어 블록체인 기술에 적합함. 

 

Qiskit 라이브러리

Python IBM 클라우드 기반 오픈소스 양자 컴퓨팅 라이브러리다. 일반적인 컴퓨터로는 0과 1사이의 가변적인 값을 통해 계산하는 양자컴퓨팅의 구현이 불가하기 때문에 클라우드 기반으로 사용자가 양자 컴퓨팅을 사용할 수 있도록 한다.

=> 선택한 이유: 본교에 양자 컴퓨터가 없기 때문이다.

*상황에 따라 라이브러리 추가 가능

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현재 진행 상황

1. 가상머신(VMware)을 통해 가상 개발환경 우분투 설치 (리눅스 기반)후 파이썬 실행

<우분투의 모습>

 

1. 키스킷(qiskit) 라이브러리 설치 후 예제 코드 실행함으로써 물리과중 양자역학 파트와의 융합탐구를 꽤하였다.

<설치과정 모습>

 

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앞으로의 진행방향

1. 배경이론에서 서술한 양자역학 원리를 각 라이브러리를 통해 구현한다.
2. 양자역학의 원리가 제대로 구현되었는지 검증한다
3. 1.~2. 과정을 통해 구현된 각 양자역학 원리를 라이브러리별로 비교한다.
4. 3.을 통해 도출한 비교 결과를 정리하고 분야별 양자역학의 원리 구현에 어떤 라이브러리가 더 효과적인지 결론짓는다.

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감사합니다