IBM Qiskit, Google Cirq를 이용한 양자컴퓨팅 입문 과정 (12H/온디맨드)

📘 교육 과정 개요

과정명: IBM Qiskit, Google Cirq를 이용한 양자컴퓨팅 입문
교육기간: 2일 (총 12시간)
교육목표:
- 양자컴퓨팅의 기본 개념과 수학적 원리를 이해한다.
- IBM Qiskit과 Google Cirq를 활용하여 양자회로를 직접 설계하고 시뮬레이션한다.
- 주요 양자 알고리즘(Deutsch-Jozsa, Grover 등)을 실습을 통해 체득한다.
- 양자 알고리즘을 고전 알고리즘과 비교하며 문제 해결에 어떻게 응용되는지를 학습한다.
강연: 동준상

넥스트플랫폼 온디맨드 과정

교육기관의 강의 요청에 따라 강의 시수, 진행 방식을 수정할 수 있는 수요자 중심의 온디맨드 교육과정입니다. 수요기관의 교육담당자께서는 언제든 편하신 방법으로 연락주세요. (문의: 넥스트플랫폼 동준상 / naebon@naver.com)

🎯 대상 수강생

양자컴퓨팅에 관심 있는 소프트웨어 개발자, 데이터 과학자, AI 연구자
양자 알고리즘의 원리와 양자 시뮬레이터 실습을 통해 실전 적용을 원하는 분
Python을 이용한 프로그래밍 경험이 있으며, 양자컴퓨팅에 대한 기초 지식이 없는 입문자

🧭 커리큘럼 (2일 12시간)

📅 1일차 (6시간) – Qiskit을 활용한 양자컴퓨팅 기초 이해

시간	내용
1시간	● 양자컴퓨팅 개론 – 고전 컴퓨터와 양자컴퓨터 비교 – 큐비트, 중첩, 얽힘의 개념
1시간	● Qiskit 설치 및 개발 환경 설정 – JupyterLab, Qiskit 패키지 – IBM Quantum 플랫폼 소개
1.5시간	● 양자회로 설계 기초 (Qiskit) – QuantumCircuit 클래스 – Hadamard, X, Z, CNOT 게이트 실습
1시간	● 양자 상태 측정 및 시각화 – 상태 벡터 시뮬레이션 – 결과 해석: 히스토그램 시각화
1.5시간	● 간단한 양자 알고리즘 실습 – Bell State 생성 – Deutsch-Jozsa 알고리즘 구현

📅 2일차 (6시간) – Cirq를 통한 양자회로 제어 및 활용

시간	내용
1시간	● Cirq 개요 및 설치 – Cirq와 Qiskit 비교 – Cirq의 시간기반 회로 설계 특징
1.5시간	● Cirq 기초 문법 실습 – 큐비트 선언, 게이트 적용, 시뮬레이터 활용 – Moment 구조 이해
1.5시간	● Grover 알고리즘 기초 및 실습 – 문제 설정과 회로 구성 – 결과 시각화 및 고전적 접근과 비교
1시간	● Qiskit vs Cirq 비교 프로젝트 – 동일 회로를 두 플랫폼에서 구현 – 성능, 코드 구조 비교 토론
1시간	● 실습 프로젝트 가이드 및 발표 – 팀별 주제 선정 및 구현 방향 안내

💻 실습 프로젝트

항목	내용
프로젝트 주제	양자 기반 2-큐비트 알고리즘 구현 및 비교 실습
목적	Qiskit과 Cirq의 구조 차이를 체감하며 동일한 알고리즘을 각 환경에서 구현
팀 구성	2~3인 1팀
실습 내용	– Bell 상태 생성 및 시각화 – Grover 또는 Deutsch-Jozsa 알고리즘 구현 – 회로 설계 비교 및 코드 리뷰 – 시뮬레이션 결과 정리
산출물	– 팀별 발표 자료 (슬라이드 3~5장) – 코드 파일 (Qiskit + Cirq 버전) – 결과 리포트 (PDF)

📎 교육 결과물 및 지원

✅ 수료자 전원: 실습 코드 및 발표자료 제공
✅ 우수 팀: IBM Quantum 또는 Google Quantum Cloud 인증서 신청 가이드 제공
✅ 선택 과제: PennyLane을 활용한 QML 연계 학습 안내서 배포

양자컴퓨팅 입문서적

원서 제목: Learning Quantum Computing with Python and Q#
한국어판 제목: 파이썬과 Q#으로 시작하는 양자 컴퓨팅(가제)
원서 개요: 양자 컴퓨팅 개론 및 실무 활용서 (384p)
원서 출판사 및 공저자: Manning / Sarah Kaiser, Chris Granade
한국어판 출간: 에이콘 출판 / 편집자: 이지은
한국어판 번역: 동준상.넥스트플랫폼 (2022년 3월~5월)

양자컴퓨팅 입문서/전문서 모음 (에이콘출판)

새로운 분야인 양자 컴퓨팅의 개념과 원리, 이론, 양자 컴퓨터에서 프로그램을 작성하는 방법을 다루는 도서 시리즈
http://www.acornpub.co.kr/series/quantum-computing

Cirq

Cirq | Google Quantum AI
https://quantumai.google/cirq

Our quantum computing journey
https://quantumai.google/learn/map

양자 컴퓨팅 예제코드/참고자료

양자컴퓨팅 예제코드 (구글 코랩 / 동준상)
https://colab.research.google.com/drive/17gL-zWYX_8S5XIK5YfrlOp0WfjiWoWxr?usp=sharing

양자 컴퓨팅 단어장 (구글 닥스 / 동준상)
https://docs.google.com/document/d/1ht-GeTTVLCKgTEf8nP109okeX8OecfbD3zdP-7HAL4I/edit?usp=sharing

양자컴퓨팅 저술/번역 노트

0303: Qiskit | Library for Quantum Computing

https://qiskit.org/textbook/what-is-quantum.html

0306: Arvin Ash | Quantum Entanglement Explained

0308: Josh | How Quantum Computers Work

0313: Quantum logic gate

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_logic_gate

0331: 3장 하이라이트 | QKD 계열의 BB84 암호화 프로토콜

양자 암호키 분배(QKD, Quantum Key Distribution): 무작위로 생성된 키를 이용하여 보안 메시지를 공유할 수 있도록 하는 암호화 프로토콜
큐빗 측정의 베이시스(Basis): 큐빗은 서로 다른 베이시스(X-basis, Z-basis 등) 또는 기준축을 이용하여 측정할 수 있다. 두 사람이 서로 동일한 베이시스를 사용하여 큐빗을 측정하면 미리 작성된 메시지를 볼 수 있지만, 서로 일치하지 않는 베이시스를 사용하면 무작위적으로 생성된 수만 보게 된다.
복제 불능 정리(no-cloning theorem): 메시지 원본에 적용된 키에 대한 정확한 정보가 없는 상태에서는 결코 올바른 베이시스를 이용하여 큐빗을 측정할 수 없음

0401: 비국지성 게임(Nonlocal game) & CHSH

Local reality: In an Universe where locality holds, it should be possible to separate two systems so far in space that they could not interact with each other. In 1963, John Stewart Bell published what could be argued as one of the most profound discoveries in the history of science. Bell stated that any theory invoking local hidden variables could be experimentally ruled out.

Nature | A nonlocal game for witnessing quantum networks
https://www.nature.com/articles/s41534-019-0203-6#:~:text=A%20nonlocal%20game%20is%20generally,resources%20or%20quantum%20entangled%20resources.

Local Reality and the CHSH Inequality (DevDoc)
https://qiskit.org/textbook/ch-demos/chsh.html

CHSH Game (PDF Slides)
https://www.cs.cmu.edu/~odonnell/quantum18/lecture07.pdf

0409: 4장 하이라이트 | 비국지성 게임, 양자 레지스터, 텐서 곱, 멀티 큐빗

비국지성 게임(Nonlocal games): 양자 역학의 세계와 우리가 실제로 사는 세계가 각각의 일관성을 지닌 채 양립할 수 있음을 보여주는 실험
양자 레지스터(quantum register): 멀티 큐빗의 다양한 상태를 활용하기 위한 큐빗 그룹. 비트 레지스터로 복잡한 명령 수행 체계를 만들 듯, 큐빗 레지스터를 통해 양자 기반의 실용적인 명령 수행 체계를 만들 수 있음
텐서 곱(tensor product): 싱글 큐빗 상태를 결합하여 멀티 큐빗 상태를 만들기 위한 연산 방식. ⊗ 기호를 이용. 텐서 곱 예시: |0⟩ ⊗ |1⟩ = |01⟩
양자 얽힘(Entanglement): 싱글 큐빗 상태의 결합을 통해 만들 수 없는 멀티 큐빗 상태에 대해 해당 큐빗이 서로 얽혀있는 상태(entangled states)라 부름

QuTip
https://qutip.org/

0416: Bloch sphere (양자 전송을 위한 큐빗 변환)

Bloch sphere: A geometrical representation of the pure state space qubit.

For a two-dimensional Hilbert space, the space of all such states is the complex projective line CP. This is the Bloch sphere, also known to mathematicians as the Riemann sphere.

https://en.wikipedia.org/wiki/Bloch_sphere

0422: 세 가지 Pauli 연산 – x, y, z 회전 정리 (본문 발췌)

위 Bloch 구에서:
x 연산은 |0⟩과 |1⟩을 서로 바꾸는 회전
z 연산은 |+⟩과 |-⟩을 서로 바꾸는 회전
다른 표현:
x 연산은 큐빗 상태값을 뒤집는 것
z 연산은 위상을 뒤집는 것
Y축 회전은 이들 양 축 모두의 값을 이용해서 나타냄
위 내용을 종합, Y = –iXZ

Process Tomography
https://www.nature.com/articles/nphys1639

6장(1부 마지막)까지는 행렬을 이용해서 양자 시스템과 양자 컴퓨팅에 대한 구현 원리를 살펴볼 수 있었지만, 7장(2부 시작)부터는 양자 장치와 상호작용을 하게 되고, 아쉽게도 행렬이 아닌 조금 더 복잡하고 원초적인 방법으로 명령을 전달해야 합니다. 행렬 대신 사용할 방법이 바로 프로세스 단층화 기법이고요, 네이처 지의 포스트가 이 기법을 이해하는 데 단서를 제공합니다.

0425: 양자 프로그램 개발 환경 QDK, 양자 프로그래밍 언어 Q# 시작

번역을 시작한지 한 달여 만에 2부에 도착했습니다!

6장까지는 범용 언어인 Python으로 양자 프로그램을 작성했고, 7장부터는 양자 프로그램 개발 환경인 QDK와 양자 프로그래밍 언어인 Q#을 본격적으로 사용합니다.

0525: 8장 양자 알고리즘의 개요

‘전통적인 이론 컴퓨터 과학의 분야 중 하나로 복잡성 이론(complexity theory)이 있으며, 이 이론은 다양한 연산 머신을 이용하여 복잡한 문제를 좀 더 효율적으로 푸는 방법에 대해 연구한다. 여러분은 아마 ‘P 문제’ 또는 ‘NP 문제’라는 말을 들어본 적이 있을 것이다. 이는 P라는 문제 풀이의 복잡성을 파악할 때 NP라는 문제만큼의 난이도가 있는지 비교하는 개념을 담고 있다. P급 복잡성의 문제란, 특정 문제를 푸는 데 다항 시간(polynomial time)이 소요되는 문제이며, NP급 복잡성의 문제란, 특정 문제를 다항 시간만에 풀 수 있을지 여부를 알 수 없는 문제이다.’
8장, 개념심화 ‘오라클’ 명칭의 유래

0616: 10장 슈뢰딩거 방정식

슈뢰딩거 방정식(Schrödinger’s equation)은 시간 흐름 속에, 서로 다른 양자 상태의 위상(phases)이 에너지(energy) 수준에 따라 어떻게 변화하는지를 설명한다. 우리는 양자 상태에서 전역 위상은 관찰할 수 없지만, 슈뢰딩거 방정식을 통해 해밀턴 연산자의 고유상태(eigenstates of Hamiltonians)는 시간 흐름 속에서도 변하지 않는다는 사실을 증명할 수 있다.
10장. 팁 ‘슈뢰딩거 방정식’ 개념 정리

0617: 10장 양자 화학 및 오픈소스 라이브러리

MS QDK | Quantum Chemistry Library
https://docs.microsoft.com/en-us/azure/quantum/user-guide/libraries/chemistry/

NWChem | Open-source High-performance Computational Chemistry
https://nwchemgit.github.io/

Microsoft.Quantum.Diagnostics namespace
https://docs.microsoft.com/en-us/qsharp/api/qsharp/microsoft.quantum.diagnostics

끝 / 감사합니다. / Posted: 220203 / Updated: 220616

‘LLM 시대: 마케팅팀을 위한 변화관리 전략’ 과정 (12H/온디맨드)