게임 참여자의 의사결정을 양자화한
세계 최초 양자게임 제시

- GIST 함병승 교수 등 韓-폴란드 연구팀, Scientific Reports 논문 게재

(왼쪽부터) 함병승 특훈교수와 방정호 박사

□ 한국과 폴란드 공동 연구팀이 게임 이론*에서 게임 참여자의 합리적 의사결정(추론) 시 양자(量子·quantum) 물리학 방식을 선택한 게임자는 고전(양자에 대비되는 것으로써 현존하는 모든 것)적 게임 규칙/요소 하에서도 기존 대비 승률을 큰 폭으로 향상시킬 수 있는 결과를 처음으로 제시했다.
* 게임이론: 수학‧경제학‧생물학‧물리학‧사회과학 등에 다양하게 적용되는 이론으로, 예측하기 힘든 복잡계의 행동 양상이나 그에 따른 변화 예측 등에 효과적으로 이용된다.

  ∘ GIST(광주과학기술원) 정보통신공학부 함병승 교수(광양자정보처리센터장)와 한양대 물리학과 이진형 교수(이상 공동 교신저자), GIST 방정호 박사(제1저자), 폴란드 그단스크 대학 연구팀은 이러한 내용의 연구 결과를 2월 15일 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)에 게재했다.
* 논문명 : Quantum-mechanical machinery for rational decision-making in classical guessing game)

□ 양자게임이 고전 규칙 하에서도 가능한가에 대한 문제는, 방대한 크기의 고전 데이터 혹은 지식 체계들을 양자화하지 않고도 원하는 정보를 추출할 수 있는지에 대한 이슈와 직접 관련되어 있으며, 현재 양자컴퓨팅 및 양자인공지능 등의 미래 분야에서 뜨거운 감자이다. 이 분야 대다수 연구자들은 지금까지 대체로 부정적 견해를 취하였다.

  ∘ 본 연구에서는 앞서 언급한 이슈를 게임자가 의사결정(혹은 추론) 할 때의 양자성 도입 문제로 전환하였다. 이 같은 발상의 전환은 게임 요소 및 규칙 등에 있어 양자성을 도입하지 않더라도 양자적 의사결정을 통해 양자이득이 가능함을 최초로 제시하였다.

[그림 1] 두 게임 참여자인 Alice(좌) 그리고 Bob(우)의 ‘비밀(고전) 비트 추측 게임’ 개념도. 스무고개 놀이와 유사하다. Alice는 갖고 있는 고전 메모리에 임의의 비트 값을 저장하고, Bob은 Alice의 비밀 비트 값을 추측한다. 이 게임은 의사결정론(decision-making) 관점에서 ‘단일 게임 추측 문제’이다. Bob이 하는 의사결정(추론)은 위의 그림과 같은 논리회로로 대체할 수 있다.

[그림 2] 고전 추론 및 양자 추론에 의한 기대 점수 (payoff) 비교. 각 비밀 비트의 추론시 선호값 |aj| (j=0,1)에 따른 평균 기대 점수를 3D 그래프로 그렸다. : (좌상) 이론/고전 추론, (우상) 시뮬레이션/고전 추론. (좌하) 이론/양자 추론. (우하) 시뮬레이션/양자 추론. 고전 추론과 양자 추론을 비교해보면 동일한 선호도 값에 대해 양자 추론에 의한 평균 기대 점수가 고전 추론에서의 기대 점수보다 항상 크다는 사실을 알 수 있다. 실제 게임을 수행하는 전산 시뮬레이션을 수행한 결과, 이론과 정확히 일치함을 보였다.

□ GIST-한양대-폴란드 공동연구팀은 해당 문제를 다루기 위해 스무고개 놀이와 유사한 ‘비밀-비트 추측 게임(Secret-bit guessing game)"을 고려하였다. 이는 한 명이 다른 사람이 숨기고 있는 비밀 정보를 추측하는 게임이다. 게임 요소 및 규칙 등에 있어 양자성(양자중첩/양자얽힘)을 철저하게 배제하였다. 또한, 참여자의 의사결정 과정을 비교/분석하기 위해 게임 참여자의 추론과정을 양자 및 고전 기계로 대체하였다.

  ∘ 이 같은 게임에서 추론(의사결정)을 하는 게임 참여자(즉 기계)가 양자중첩을 이용한다면, 고전게임이라도 양자이득을 취할 수 있음을 증명하였다.

□ 제1저자인 방정호 박사는 “이번 연구는 지금 현재 정보의 통신 및 가공 등에 사용하고 있는 데이터들의 양자화 없이도 충분히 양자 정보 및 컴퓨팅 이론이 추구하는 양자 이득이 가능하다는 사실을 시사하는 중요한 결과”로 평했다. 아울러 “해당 연구에서 논의했던 추론 프로토콜 및 도출 결과는 양자 암호, 양자 인공지능 등 다양한 양자정보 연구에 기여할 것” 이라고 덧붙였다.

  ∘ 이번 연구는 미래부 IITP 정보통신‧방송 연구개발 사업과 미래창조과학부와 한국연구재단의 기초연구 및 중견(도약)연구자 사업의 지원을 받아 진행됐다.     <끝>

대외협력팀