Earticle

본 논문에서는 STEAM 교육과 미래 유망직종인 컴퓨터 전문가 중 하나인 양자컴퓨터 전문가 대한 간접 체험의 기회를 제공하고자 국가수준 교육과정과의 연관성을 분석하여 초등학교 3-4학년을 위한 양자컴퓨터 전문가에 대하여 알아보고 자신의 진로와 연관지어 생각해볼 수 있는 STEAM 교육프로그램을 개발하였다. 하지만 초등학생들이 물리학 중 가장 어렵다는 양자역학을 근본으로 하는 양자컴퓨터의 기본이론을 이해하는 것이란 거의불가능하다. 따라서 본 논문에서는 게이미피케이션 메카니즘을 적용하여 양자역학 원리를 배울 수 있는STEAM 프로그램을 제안하였다. 학생들이 흥미를 유발하고 양자컴퓨터의 가장 기본적인 원리 중 하나인 양자스핀과 양자컴퓨터와 연관된 양자암호, 그리고 아직 양자컴퓨터의 미완성 등을 간접적으로 체험할 수 있도록 교재를 개발하였으며, 이를 현장에 직접 적용하였다. 본 연구에서 제공하는 진로 STEAM 교육프로그램은 IT관련진로 탐색과 관련 소양 함양에 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

In this paper, in order to offer the opportunity to indirectly experience STEAM education and the profession of a quantum computer professional, one of computer experts as a promising occupation of the future, its correlation to the national curriculum was analyzed. STEAM educational program in this paper was developed through which the third or fourth graders in elementary schools can learn about a quantum computer expert and think about it in relevance to their future careers. Yet, it's almost impossible for the students to understand the basic theories of quantum computer based on quantum mechanics, one of most difficult areas of physics. Accordingly, in this proposed textbook, gamification mechanism was applied to arouse students' interest. Moreover, the textbook was developed and applied to the field directly in the way that students would be able to indirectly experience quantum spin, one of most basic principles of quantum computer, quantum cryptography related to quantum computer, incomplete quantum computer and etc. The STEAM educational program for future careers offered in this research is expected to create positive effects for students to explore careers relevant to IT, and to develop related qualities.

퀀텀정보통신기술(QICT)은 현재 사용 중인 컴퓨터는 물론 앞으로 개발될 디지털 기반의 컴퓨터로는 해결하 기 어려운 많은 문제에 대한 답을 제공해 줄 수 있는 잠재력을 지니고 있다. QICT는 엄청난 규모의 연구개발비 투 자가 이루어지며 세계 유명 연구기관들이 앞 다투어 연구에 매진하는 핵심영역 중의 하나이다. 효율적인 연구개발을 이끌어가기 위해서는 이해관계자들이 모두 이해할 수 있는 기술적 로드맵이 필요하다. 로드맵은 연구개발결과물의 상업화로의 전환을 촉진시키고, 다양한 연구접근방법에서 생겨날 수 있는 갈등을 줄이고 시너지 효과를 창출하는데 필요한 방향 제시 역할을 해준다. 본 연구에서는 QICT에 관한 간략한 로드맵과 함께 QICT가 우리나라 산업에 미칠 수 있는 잠재력과 경제적 기여도에 대해 논의해보고자 한다.

Quantum information and communication technology(QICT) holds out tremendous promise for efficiently solving some of the most difficult problems that are intractable on any present or future conventional computer. QICT is one of the most active research areas of modern science, attracting substantial funding that supports research groups at internationally leading academic institutions. To facilitate the progress of QICT research towards the commercialization, a roadmap needs to be formulated, providing some direction for the field with specific technical goals and elucidating interrelationships between approaches for synergistic solutions to obstacles within any one approach. In this paper, we suggest a brief version of roadmap for QICT research and give a discussion about the potential contribution of QICT in Korea industry.

양자 컴퓨터는 정보를 처리하기 위해 양자역학의 원리를 활용하는 컴퓨터 방식으로, 특정 알고리듬에 대해서는 기존 CPU 기반 컴퓨터에 비해 효율적인 연산비용을 가진다. 가장 범용적인 양자 컴퓨터인 양자 게이트 컴퓨터는 트랜지스터로 만들어진 게이트에 대응되는 양자 게이트를 연산 도구로 사용한다. 반면 양자 어닐러는 입자가 가진 파동 형태의 특성상 입자의 에너지보다 높은 장벽을 통과할 수 있다는 이론인 양자 터널링을 이용한 양자 컴퓨터로, 수학적 최적화 수행에 특화되어있다. 본 연구는 탄성파 탐사 자료의 처리 기법 및 지하구조 영상화 알고리듬 과정을 양자 컴퓨터로수행할 수 있는 이론적 가능성을 제시한다. 또한 해당 수행방법의 한계점을 함께 제시한다. 결과적으로, 본 연구는 양자 처리 장치가 추후 수치모델링, 탄성파 탐사 자료 전처리 및 자료 품질 향상 등의 기법을 시간효율적으로 수행할 수 있다는 가능성을 시사한다.

Quantum computers utilize the principles of quantum mechanics to process information and have efficient computational costs compared with central-processing-unit-based computers for specific algorithms. The most general-purpose quantum computer, the quantum gate computer, uses quantum gates corresponding to gates made of transistors as computational tools. Quantum annealers, however, utilize quantum tunneling, based on the theory that particles can pass through barriers higher than the particle energy owing to the particle waveform, and it is specialized in performing mathematical optimizations. This study investigated the theoretical possibility of applying seismic exploration data processing techniques and subsurface structure imaging algorithms using quantum computers. However, this study also reveals the limitations of these methods. The results suggest that quantum computers have the potential to perform numerical modeling, seismic data preprocessing, and data enhancement in a time-efficient manner.

양자점 셀룰러 오토마타(QCA: Quantum-dot cellular automata)는 차세대 디지털 회로설계 기술로서 주목받 는 기술이며, 여러 디지털 회로들이 QCA 환경에서 제안되고 있다. 내용주소화 메모리(CAM: Content-addressable memory)는 내부에 저장된 정보를 바탕으로 탐색을 진행하는 저장장치이며, 네트워크 스위칭 등 특수한 과정에서 빠 른 속도를 제공한다. QCA 환경에서 제안된 기존의 CAM 셀 회로들은 필요 면적과 에너지 손실이 크다는 단점이 있 다. CAM 셀은 정보가 저장되는 메모리 부와 탐색의 성공 여부를 판단하는 판단부로 구성되며, 본 연구에서는 메모 리 부를 다층구조로 설계하여 개선된 QCA CAM 셀을 제안한다. 제안한 회로는 시뮬레이션을 사용하여 동작을 검증 하며 기존 회로와 비교 및 분석한다.

Quantum-dot cellular automata (QCA) is a technology that attracts attention as a next-generation digital circuit design technology, and several digital circuits have been proposed in the QCA environment. Content-addressable memory (CAM) is a storage device that conducts a search based on information stored therein and provides fast speed in a special process such as network switching. Existing CAM cell circuits proposed in the QCA environment have a disadvantage in that a required area and energy dissipation are large. The CAM cell is composed of a memory unit that stores information and a match unit that determines whether or not the search is successful, and this study proposes an improved QCA CAM cell by designing the memory unit in a multi-layer structure. The proposed circuit uses simulation to verify the operation and compares and analyzes with the existing circuit.

본 연구에서는 양자 컴퓨터 관련 기술 트렌드 분석과 예측을 수행한다. 기존 양자 컴퓨터 기술 분석 관련 연구는 주로 기술 특징을 중심으로 응용 가능 분야에 집중되었다. 본 논문은 시장 중심의 기술 분석과 예측을 위하여 양자 컴퓨터 관련 국내 뉴스 기사를 기반으로 중요하게 다뤄지는 양자 컴퓨터 기술들을 분석하고 미래신호 감지와 예측을 수행한다. 뉴스 기사에서 사용된 단어들을 분석하여 빠르게 변화하는 시장의 변화와 대중의 관심사를 파악한다. 본 논문은 Cha & Chang (2022) 컨퍼런스 발표 자료를 확장했다. 연구는 2019년부터 2021년까지의 국내 뉴스 기사를 수집하여 진행된다. 먼저, 텍스트 마이닝을 통해 주요 키워드를 정리한다. 다음으로, Term Frequency - Inverse Document Frequency(TF-IDF), Key Issue Map(KIM), Key Emergence Map(KEM) 등의 분석을 통해 양자컴퓨터관련 기술을 탐색한다. 마지막으로, 랜덤포레스트, 의사결정나무, 연관분석 등을 통해 미래기술들과 수요 및 공급의 연관성을 파악한다. 연구결과 빈도분석, 키워드 확산도 및 가시성 분석에서 모두 AI의 관심도가 가장 높게 나타났다. 사이버보안의 경우 시간이 지날수록 뉴스기사에서 언급되는 비율이 다른 기술에 비해 압도적으로 높게 나타났다. 또한 양자통신, 내성암호, 증강현실 역시 관심도의 증가율이 높게 나타났다. 따라서 이를 트렌드 기술의 적용에 대한 시장의 기대가 높음을 알 수 있다. 본 연구의 결과는 양자컴퓨터 시장의 관심 분야 파악과 기술 투자 관련 대응체계 구축에 응용될 수 있다.

In this study, we analyze and forecast quantum computer technology trends. Previous research has been mainly focused on application fields centered on technology for quantum computer technology trends analysis. Therefore, this paper analyzes important quantum computer technologies and performs future signal detection and prediction, for a more market driven technical analysis and prediction. As analyzing words used in news articles to identify rapidly changing market changes and public interest. This paper extends conference presentation of Cha & Chang (2022). The research is conducted by collecting domestic news articles from 2019 to 2021. First, we organize the main keywords through text mining. Next, we explore future quantum computer technologies through analysis of Term Frequency - Inverse Document Frequency(TF-IDF), Key Issue Map(KIM), and Key Emergence Map (KEM). Finally, the relationship between future technologies and supply and demand is identified through random forests, decision trees, and correlation analysis. As results of the study, the interest in artificial intelligence was the highest in frequency analysis, keyword diffusion and visibility analysis. In terms of cyber-security, the rate of mention in news articles is getting overwhelmingly higher than that of other technologies. Quantum communication, resistant cryptography, and augmented reality also showed a high rate of increase in interest. These results show that the expectation is high for applying trend technology in the market. The results of this study can be applied to identifying areas of interest in the quantum computer market and establishing a response system related to technology investment.

각각의 큐빗(qubit)을 개별적으로 상온의 제어 회로에 연결하는 현재의 회로 기술은 양자 컴퓨터의 확장성, 신뢰성을 갖추는 데 있어 한계를 가지고 있으며, 집적도 측면에서 극저온의 CMOS 기술 기반 인터커넥트 회로 기술을 통해 기존 기술 대비 인터커넥트의 복잡도, 시스템 안정도 및 사이즈, 그리고 가격 경쟁력을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 외부의 전기적 자극에 민감하며 양자 상태를 일정 시간 이상 유지할 수 없는 큐빗의 특성으로 인한 문제를 극복하고, 확장성과 신뢰성을 양자 컴퓨터 실현을 위한 CMOS 기술 기반 집적화된 센싱 및 제어 회로 기술에 대해 소개한다.

The current circuit technology that individually connects each qubit to a control circuit at room temperature has limitations in achieving scalability and reliability of a quantum computer. With the advent of cryogenic CMOS interconnect electronics, it is expected to dramatically improve the interconnect complexity, system reliability and size, and price. In this paper, we introduce the CMOS integrated sensing and control technology platform overcoming the problems caused by the fragile and sensitive characteristics of qubit.

본고 〈0과 1의 해석학〉은 ‘0과 1’의 다양한 인문수학적 함의, 이 숫자들에 기초한 디지털컴퓨터와 양자컴퓨터의 구동방식의 비교, 그리고 주역 음양론과 노장 세계인식의 중요한 특징으로서의 양가성(兩價性)과 양행의 독법을 정보이론의 관점에서 풀어 해석하고자 했다. 제2장에서는 ‘0과 1’의 의미를 0의 양가성, 원과 파동, 확률, 집합론, 그리고 지수⋅로그(log)의 정보 단위로서의 bit와의 관련성 등을 인문수학적으로 고찰하였다. 제3장에서는 0과 1의 선택(0/1)에 기초한 디지털컴퓨터와, 양자역학의 기본 속성인 양자중첩에 기초해 0과 1을 동시에취하는(0&1) 양자컴퓨터의 알고리즘 구동 방식을 비교 분석함으로써 이어 행할 주역 및 노장사유와의 상호 관련성을 가늠할 기초 자료로 삼았다. 제4장에서는 음과 양 혹은 0과 1의 이진법으로 운용되는 동아시아 주역 음양기호학의 괘의 확장과 전개가 방식으로 구동되며, 동시에 0과 1이 복희육십사괘도에서 보듯이 ‘음중양,양중음’의 내적 상관성 속에 움직이는 점, 그리고 노장이 공히 인식한 상도(常道)적 잠재계와가도(可道)적 현상계, 그리고 이 둘의 양면 구동인 양행(兩行) 병작(並作)의 사유가 양자택일적 디지털 컴퓨터보다는 양자컴퓨터와 더 근접함을 보았다. 이상의 고찰을 통해 서구 르네상스 이후 전개된 근대이성 중심의 세속주의(secularism) 및데카르트와 뉴턴 이래 가속화한 분과주의 및 기계론적 이분법의 독점적 지배가 20세기초 상대성이론과 양자역학으로 흔들리기 시작하면서, 장기간 홀시되었던 동아시아 사유의 이중성과 모호성의 양가(兩價)⋅양행(兩行)의 사유가 새로운 조명을 받을 충분한 시점에 이르렀다고논증하였다.

본 논문은 양자 컴퓨터 수신기용으로 저온 환경에서 작동하도록 최적화된 4-8 GHz 대역의 ILFT(injection-locked frequency tripler) 설계를 제시한다. 제안된 ILFT는 BPF(band-pass filter)를 통해 3차 고조파 출력을 보장하고, 소스 축퇴로 사용된 NOTCH 필터는 추가 전력 소모 없이 주입된 주파수 하모닉을 제거함과 동시에 출력주파수에서 손실을 최소화한다. TSMC 65nm 공정을 사용하여 구현된 이 설계는 4.7도 이하의 위상 오차, 45% 이상의 듀티 사이클, 30 GHz 이상의 슬루율로 안정적인 동작을 보여준다.

This paper presents the design of an Injection-Locked Frequency Tripler (ILFT) optimized for operation in cryogenic environments, specifically tailored for quantum computer receivers in the 4-8 GHz range. The proposed ILFT ensures third harmonic output using a band-pass filter (BPF), while a notch filter, implemented with source degeneration, effectively removes harmonic tones generated by the injected signal without additional power consumption. This approach minimizes signal loss at the desired output frequency. The design, implemented using the TSMC 65nm process, demonstrates stable operation under cryogenic conditions with a phase error below 4.7 degrees, a duty cycle exceeding 45%, and a slew rate greater than 30 GHz.