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양자컴퓨팅 원자를 던지고 받는 기술 개발
양자컴퓨터의 기본 구성요소인 원자를 이동하여 배치하는 기술은 리드버그 양자컴퓨팅 연구에 매우 중요하다. 하지만 원자를 원하는 위치에 배치하려면, 일반적으로 광 집게라고 불리는 매우 집속된 레이저 빔을 사용해, 원자를 하나씩 잡아서 운반해야 하는데 이렇게 운반하는 동안 원자의 양자 정보가 변화할 가능성이 크다.
우리 대학 물리학과 안재욱 교수 연구팀이 레이저 빔을 이용하여 루비듐 원자를 하나씩 던지고 받는 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
연구팀은 광 집게가 원자와 접촉하는 시간을 최소화하여 양자 정보가 변하지 않도록 원자를 던지고 받는 방법을 개발했다. 연구팀은 원자의 온도가 매우 낮아 절대 영도 이하 4천만분의 일의 온도의 차가운 루비듐 원자가 광 집게의 초점을 따라서 빛이 가하는 전자기력에 매우 민감하게 움직인다는 특성을 이용했다.
연구팀은 광 집게의 레이저를 가속해서 원자에 광학적 킥을 줘서 원자를 목표지점으로 보낸 다음, 다른 광 집게로 날아오는 원자를 잡아서 멈추게 했다. 원자의 비행 속도는 65cm/s이고, 이동 거리는 최대 4.2 마이크로미터다. 기존의 광 집게로 원자를 잡아서 이동하는 기술과 대비해 원자를 던지고 받는 기술은 원자 이동을 위한 광 집게 이동 경로 계산이 필요 없어지고, 원자 배열에 생기는 결함을 쉽게 고칠 수 있다. 결과적으로 많은 개수의 원자 배열을 생성하고 유지하는 데 효과적이며, 양자 정보를 지닌 원자(flying atom qubit)를 추가로 던지고 받는 때에 양자 배열의 구조변화를 전제하는 새롭고 더욱 강력한 양자컴퓨팅 방법을 연구할 수 있다.
안재욱 교수는 “이 기술이 더 크고 강력한 리드버그 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용될 것”이라 말한다. “리드버그 양자 컴퓨터에서 원자는 양자 정보를 저장하고, 전자기력을 통해 인접한 원자들과 상호작용해 양자컴퓨팅을 수행할 수 있도록 배치된다. 만약 오류가 발생해 원자를 교체하거나 이동해야 할 경우, 원자를 던져서 빠르게 재구성하는 방법이 효과적일 수 있다”고 말한다.
우리 대학 물리학과 황한섭, 변우정 박사과정 연구원과 일본 국가자연과학연구소의 실바앙 드 레젤러크 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `옵티카(Optica)' 3월 10권 3호에 출판됐다. (논문명 : Optical tweezers throw and catch single atoms).
이번 연구는 삼성미래기술재단의 지원으로 수행됐다.
2023.03.27
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20큐비트급 소형 리드버그 양자컴퓨터 개발
우리 대학 물리학과 안재욱, 문은국 교수 연구팀이 20큐비트급 리드버그 양자컴퓨터를 개발해 계산과학의 난제인 최대독립집합 문제를 계산했다고 22일 밝혔다.
양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 사용하여, 디지털컴퓨터로는 불가능한 계산을 수행할 것으로 예상되는 대표적 미래기술이다. 20큐비트급 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터가 백만회 순차 처리해야 하는 계산량을 한 번에 처리하는 계산성능을 갖는다.
세계 주요국들은 양자컴퓨팅을 전략기술로 분류해, 국가적 연구역량을 집중하고 있으며 글로벌 대기업, 기술벤처, 국가연구소와 주요 대학의 막대한 시설과 인력, 연구비가 동원되고 있다. 우리나라 정부도 양자기술을 10대 전략기술의 하나로 선정해 투자를 확대하고 있다.
소형(20~50큐비트급)의 양자컴퓨터가 속속 개발되고 있는 현시점에서, 가장 중요한 이슈 중 하나는 `디지털컴퓨팅 알고리즘으로는 비효율적인 계산 문제(NP-문제로 분류됨)를 양자컴퓨터가 계산할 수 있는지'이다.
따라서, KAIST가 20큐비트급의 양자컴퓨터를 개발해 NP-완전문제를 계산했다는 것은 한국의 양자컴퓨팅 연구가 세계적 양자컴퓨터 개발경쟁에 진입하였음을 의미한다.
우리 대학 물리학과 안재욱, 문은국 교수 연구팀은 리드버그 원자들을 이용해, 조합 최적화 문제를 계산하는 양자 단열 컴퓨팅 방식의 양자컴퓨터를 개발했다. 연구팀은 초고진공 공간에 배치한 극저온 리드버그 원자를 사용해, 20큐비트급 그래프의 조합 최적화 문제를 실험적으로 계산하는 데 성공했다.
물리학과 김민혁, 김강흔 대학원생 연구원과 황재용 학부생 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 피직스(Nature Physics)' 6월 18권 7호에 출판됐다. (논문명 : Rydberg quantum wires for Maximum Independent Set problems).
한편 리드버그 원자란 높은 에너지 상태의 원자로서, 일반 원자보다 만 배 정도 큰 마이크로미터 크기의 지름을 갖고, 리드버그 원자들간의 상호작용은 일반 원자들보다 10^22배 정도로 강하다.
양자 단열형 양자컴퓨팅은 양자 회로형(또는 양자디지털형), 측정기반형과 함께 범용양자컴퓨팅 방식으로 알려져 있다. 대표적인 양자 단열형 양자컴퓨터인 D-wave 社의 양자컴퓨터는 고정 큐비트를 사용한다는 결정적 단점이 있다. 하지만 KAIST의 리드버그 양자 단열형 양자컴퓨터는 재배치 또는 이동이 가능한 큐비트를 사용하기 때문에 주목을 받는다.
KAIST 리드버그 양자컴퓨터는 초고진공 상태에 최대 126개의 리드버그 원자들을 임의로 배치해 양자 단열형 양자컴퓨팅을 수행한다. 이번에 발표한 최근 연구에서는 꼭지점이 최대 20개인 그래프의 최대독립집합을 계산하는데 성공했다. 또한 원거리 꼭지점들을 잇는 리드버그 양자선 개념을 최초로 개발해 모든 꼭지점들을 임의로 연결하는 초기하학적 그래프를 계산할 수 있음을 보였다.
참고로, 디지털 컴퓨팅에서 모든 계산 문제들을 계산복잡도에 따라 P-문제(결정 다항)와 NP-문제(비결정적 다항)로 분류한다. 여행자 문제(Traveling Salesman Problem), 최대독립집합 문제 등으로 대표되는 NP-문제들은 디지털 컴퓨팅의 알고리즘으로는 효율적으로 계산할 수 없음이 잘 알려져 있다. 따라서, 양자컴퓨터가 NP-문제들을 계산할 수 있을지가 큰 관심사다.
최대독립집합 문제는 대표적인 NP-완전문제의 하나이며, 주어진 그래프(꼭지점과 간선의 집합)에서 서로 연결되지 않는 꼭지점들의 최대집합을 알아내는 계산 문제다. 그래프의 크기가 커지면, 디지털컴퓨팅 알고리즘으로는 계산량이 지수적으로 증가해 효과적인 계산을 할 수 없다. 이러한 문제를 효과적으로 계산하게 되면 산업적으로 물류, 생산관리, 작업관리, 네트워크 디자인 등에서 혁명적 경제가치를 창출하게 된다.
<그림 1> 은 리드버그 양자선(각각 빨강, 주황, 노랑 꼭지점들)을 이용하여 간선으로 연결되지 않는 데이터 큐비트(하얀 꼭지점들)를 연결하는 3차원 큐비트 구조체의 모식도이다. 이 구조는 쿠라토프스키 그래프로 잘 알려진 K(3:3) 그래프이다. 참고로 쿠라토프스키 K(3:3)와 K(5) 그래프쌍은 상대적으로 만들기 쉬운 평면그래프와 조합하여 모든 그래프를 만들 수 있다. 우리 대학 연구진은 본 연구에서 K(3:3)와 K(5)를 실험적으로 최초 구현하였다.
연구를 주도한 물리학과 안재욱 교수는 “이번 연구는 리드버그 양자컴퓨터의 활용 가능성을 보였다는 데 의의가 있다”라고 자평하며 “아직은 큐비트 개수가 충분하지 않지만, 차 단계 연구를 통해 실 활용이 가능한 꿈의 양자컴퓨터를 개발할 수 있을 것”이라는 포부를 밝혔다.
한편 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
2022.06.22
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차상길 교수 연구팀, K-사이버 시큐리티 챌린지 2019 우승
우리 대학 정보보호대학원 차상길 교수(소프트웨어보안연구실) 연구팀이 지난 11월 22일 열린 ‘K-사이버 시큐리티 챌린지 2019’ 대회에서 AI 기반 취약점 자동탐지 트랙 부문 2년 연속 우승을 차지했다.
과학기술정보통신부가 주최하고 한국인터넷진흥원이 주관한 이번 대회는 미국 국방성에서 지난 2016년에 주최한 사이버그랜드챌린지(CGC)를 벤치마킹한 국내 대회로 사람이 아닌 기계 간 해킹대회이다. AI 기반의 시스템은 스스로 외부의 개입 없이 주어진 프로그램의 취약점을 찾아 그것을 해킹하여 컴퓨터 운영권을 획득하게 된다.
이번 대회에서 차상길 교수팀은 ‘금오(Geumo)’라는 팀명으로 대회에 참가했으며, 시스템 개발과 운영을 위해 전산학부 코렌틴 쏘레 연구원(Corentin Soulet), 정보보호대학원 김강수 석사과정이 참여했다.
미국 카네기멜론 대학 시절부터 해당 분야 연구를 세계적으로 선도한 차상길 교수는 우리나라의 자체 기술만으로 최고 수준의 시스템을 만드는 데에 성공했다.
최근에는 사이버보안연구센터와 함께 AI 기반 해킹 시스템의 핵심요소 중 하나인 바이너리 분석 엔진을 기존의 엔진보다 10배 이상 빠르게 수행하는 데 성공해 세계적 권위의 학술대회인 2019 NDSS(The Network and Distributed System Security Symposium) BAR(Binary Analysis Research)에서 최우수 논문상을 받은 바 있다.
김강수 석사과정은 "지난해에 이어서 좋은 소식을 전할 수 있어서 기쁘고 대회에서 깨달은 지식을 활용해 사회에 이바지할 수 있도록 노력하겠다"라고 말했다.
2019.12.13
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KAIST-DTU 차세대 P4G 경연대회 개최
‘도료 기업이 가치사슬 전반에 적용할 수 있는 순환 경제적 신사업 모델을 제시하라’
‘에너지 서비스 기업이 청정에너지 솔루션 기업으로 도약할 수 있는 혁신적 비즈니스 모델을 제시하라’
‘창호 설비 기업이 환기 및 공기 정화 등의 순환적 기능을 추가한 미래형 유리 창호 시스템을 서비스할 수 있는 방법을 제시하라’
인류의 보편적 가치인 ‘지속 가능 개발 목표’에 대한 기업들의 고민을 대학생들의 혁신적 아이디어를 통해 풀어가는 경연 대회가 지난 5월 20일부터 22일까지 KAIST 서울 경영대 캠퍼스에서 열렸다.
‘KAIST-덴마크공대(이하, DTU) 차세대 P4G* 경연 대회’는 한국-덴마크 수교 60주년과 녹색성장 동맹 체결 8주년을 기념하는 행사의 일환으로 개최됐으며, 양국 젊은 학자들의 학술 교류와 학생들의 지속적인 협력을 위해 마련됐다. * P4G: Partnership for Green Growth and Global Goals, 녹색성장과 지속발전 파트너십)
이번 대회는 팀을 이룬 참가자들이 대회 기간 내내 숙식을 함께하며 문제를 해결하는 이노베이션 스프린트로 진행됐다. 대회 1일 차에 도전 과제를 풀어나갈 아이디어를 구상하고 2일 차에 확정한 아이디어를 발전시켜 대회 마지막 날 완성된 프레젠테이션으로 발표하는 방식이다.
우리 대학 학생 29명과 DTU 학생 5명을 포함한 10명의 덴마크 학생 등 총 39명이 6개의 팀에 고루 섞여 배치되었으며, 이들 6개 팀은 덴마크의 창호 설비 기업 벨룩스(VELUX)와 도료 기업 헴펠(HEMPEL), 한국의 SK그룹이 각각 출제한 기업 혁신에 관한 도전 과제를 한 가지씩 배분받아 2박 3일간 해법을 찾아 나섰다.
참가자들은 팀 구성원의 전공 분야 지식과 연구 경험을 토대로 다양한 관점의 전략을 구상하고 이와 더불어 새로운 기술적·재정적·조직적·사회적 기회들을 ‘지속 가능한 개발 목표’와 연계한 개념으로 정립해 구체적 방안을 제시하는 것에 주안점을 뒀다.
대회 마지막 날인 22일 오전에 치러진 1차 발표 평가를 통해 결승에 진출한 총 3개 팀은 이날 오후 심사위원과 평가 패널, 신성철 총장과 프레데릭 크리스티안 덴마크 왕세자가 참석한 가운데 최종 경연을 진행했다.
벨룩스가 제시한 ‘미래형 유리 창호 시스템’에 관한 과제를 수행한 팀은 태양의 전자기파가 미세먼지 입자를 밀어내는 원리를 이용한 미세먼지 차단 창호 아이디어를 제안해 패널들로부터 복잡한 문제를 간결하게 풀어냈다는 점을 높게 평가받았다.
헴펠의 ‘도료 기업의 순환 경제적 신사업 모델 제시’를 연구한 팀은 ‘박스형 와인’에서 영감을 얻은 알루미늄 소재의 용기 개발을 제안했다. 포장재 및 도료 폐기물로 인한 환경적·경제적 손실을 최소화하는 방식으로 패널들로부터 당장 상업화가 가능할 정도로 최적화된 아이디어라는 평가를 받았다.
마지막으로 SK 그룹의 ‘글로벌 청정에너지 솔루션 기업으로의 도약’에 관한 해법을 제시한 팀은 블록체인, AI 등 SK 그룹의 ICT 전문성과 인도네시아 소외 지역 내 주민 참여를 융합한 마이크로그리드 모델을 구상해, 지역 순환 경제에 알맞은 완성도 높은 사업 모델을 제시했다는 측면에서 패널들의 호응을 끌어냈다.
마리안느 톨레센(Marianne Thellersen) DTU 부총장, 김상협 KAIST 녹색성장 대학원 교수, 에스케 보 로젠버그(Eske Bo Rosenberg) 주한 덴마크 이노베이션 센터 참사관 등 3인의 심사위원은 각 팀이 제시한 솔루션의 현실성과 완결성, 발표 기술 등의 심사 기준을 반영해 헴펠의 신사업 모델을 제시한 참가팀을 최종 우승으로 선정했다.
우승을 차지한 CIRCOS팀은 니콜라이 토르발(Nicolai Thorball) DTU 학생을 포함한 덴마크 학생 2명과 이동은 학생을 포함한 4명의 우리 대학 학생으로 구성되어 있다.
CIRCOS팀의 이동은 학생(생명과학과 학사과정)은 “다양한 전공을 가진 학생들이 제시한 많은 아이디어를 하나로 모으는 과정이 흥미롭고도 어려웠다”며, “이번 경연을 통해 녹색성장과 관련된 새로운 분야를 접하게 된 점에 큰 보람을 느낀다”고 우승 소감을 밝혔다.
주한덴마크대사관 이노베이션센터 서울에서 공동 주최한 이번 행사에는 지난 20일부터 방한 중인 프레데릭 덴마크 왕세자가 입상 팀을 직접 시상했으며, 우승팀에게는 100만 원의 상금과 덴마크 현지 기업 탐방 등의 특전이 주어졌다. 공동 2위를 차지한 팀에겐 각각 50만 원의 상금이 수여됐다.
신성철 총장은 환영사를 통해 “기후 변화와 지속 가능성 발전에 관한 이슈에 대응하기 위해서는 각 전문 분야의 경계를 넘어서는 협력이 가장 중요하다”고 강조했다. 이어 신 총장은“ 이번 경연 대회는 다양한 전공을 가진 팀원이 함께 문제를 해결해 나가는 모범적인 사례로 공동의 노력으로 융합된 아이디어를 개발할 때, 우리는 더욱 혁신적인 길로 나아갈 수 있을 것”이라고 강조했다.
2019.05.22
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전산학부, 美 런타임베리피케이션사와 산학협력 협정 체결
우리 대학은 미국 런타임베리피케이션(Runtime Verification)사와 22일 전산학과 회의실에서 ‘런타임베리피케이션 산학협력 협정’을 체결했다.
협정 체결 행사에는 KAIST 전산학부 교수이며 국내 유일의 ‘소프트웨어 테스팅 베리피케이션 그룹’ 지도교수인 김문주 교수와 미국 런타임베리피케이션 CEO인 그리고레 로수(Grigore Rosu), 그리고 런타임베리피케이션 한국총판 이웨이파트너즈사의 정희설 상무 등이 참석했다.
이번 협정은 런타임 검증 분야의 관련 솔루션들을 공급하고 있는 미국 런타임베리피케이션사가 소프트웨어 런타임 분석도구를 KAIST에 무상 기증하고, 이를 통해 국내 유일하게 KAIST에서 소프트웨어 테스팅 및 검증 연구 강화와 KAIST 재학생들의 소프트웨어 교육에 활용될 예정이다.
런타임베리피케이션 솔루션은 소프트웨어 시스템을 실행시켜 이를 분석하여 소프트웨어 버그를 찾아주는 솔루션으로서 기존의 분석도구 혹은 테스팅 기법으로는 찾아낼 수 없는 소프트웨어에 내재된 버그도 찾아내어 준다. 코드를 기반으로 하는 것이 아니라 분석 결과에 허위경보(False Alarm)가 발생하지 않기에 소프트웨어 개발자들이 더 빠르고 쉽게 소프트웨어 버그를 해결할 수 있도록 도와준다.
미국 런타임베리피케이션 설립자이자 대표인 그리고레 로수(Grigore Rosu)는 2001년 ‘런타임 검증(runtime verification)’이라는 용어를 처음으로 창안하여 학계에 발표하였고, 관련 국제컨퍼런스인 ‘런타임베리피케이션 컨퍼런스’를 16여 년간 이끌어온 관련 분야의 권위자이다.
2016.11.22
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신진우 교수, 블룸버그 사이언티픽 리서치 어워드 수상
신 진 우 교수
우리 대학 전기 및 전자공학부 신진우 교수가 지난 4월 블룸버그 사이언티픽 리서치 어워드(Bloomberg Scientific Research Award)의 첫 번째 수상자로 선정됐다.
로이터, 다우존스와 더불어 3대 경제뉴스 서비스 업체로 꼽히는 블룸버그가 선정하는 사이언티픽 리서치 어워드는 올해 처음 개설됐다. 이 상은 블룸버그 내 데이터 분석과 관련된 중요 기계학습이나 통계 분야에서 유망한 연구에 수여된다.
신 교수는 최근 각광받고 있는 딥 러닝 모델을 빠르게 학습할 수 있는 무작위 알고리즘 개발을 위한 이론 연구로 이 상을 수상했다. 이번 수상으로 일 년 간 1인의 대학원생에 대한 지원 및 학회 출장 경비, 실험장비 구입 등의 금전적인 지원이 보장된다.
신 교수는 “현재 기계학습 및 빅 데이터 분야에서 데이터 처리를 위한 효율적 알고리즘 개발 연구에 전념하고 있다”며 “이번 상을 계기로 블룸버그와 긴밀한 협업을 통한 새로운 개념의 기계학습 모델 및 알고리즘 개발이 기대된다”고 말했다.
그 외에도 신 교수는 응용 확률 연구 분야에 뛰어난 기여로 2년마다 한 편의 논문에 주어지는 INFORMS 응용 확률 협회의 최우수 논문상을 2013년에 수상했다.
또한 네트워크 분야 학회인 미국컴퓨터협회의 MOBIHOC 2013, SIGMETRICS 2009에서도 최우수 논문상을 수상했다.
끝.
2015.05.08
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