양자 게임에 대한 분석 연구

Abstract

많은 사람들이 양자 물리를 어렵게 느끼는 까닭은 그 개념이 실생활에서 경험할 수 없어 직관적으로 받아들여지지 않기 때문이다. 따라서 양자 현상을 간접 경험할 수 있다면 보다 양자 개념에 대해 이해하고 흥미를 갖게 될 것이다. 본 연구에서는 양자 현상을 효과적으로 간접 경험할 수 있도록 하는 방법으로 게임화(gamification)를 양자 물리에 적용한 사례에 집중하였다. 양자 현상의 간접 경험을 목적으로 선행 연구된 양자 게임인 양자 틱택토와 양자 체스를 분석하고 새로운 양자 게임의 가능성을 제시한다. 양자 틱택토와 양자 체스가 양자 현상의 간접 경험을 돕는다는 소기의 목적을 충족시키는지 분석한 결과 게임에서 나타나는 양자 현상을 디랙 표기법을 이용해 표현할 수 있으며 적절한 수식을 이용해 결과 또한 예측할 수 있음을 확인하였다. 또한 분석 결과 참가자가 게임 내 양자 현상을 이해하고 양자 정보를 이용한다면 승리하기 유리하다는 것을 보이고 이를 통해 선행 연구된 두 양자 게임이 참여자가 능동적으로 양자 현상을 이용하도록 잘 개발된 양자 게임임을 확인하였다. 그럼에도 양자 틱택토와 양자 체스는 여러 한계를 가지고 있는데, 이러한 문제를 보완하는 새로운 양자 게임으로 양자 윷놀이를 제시한다. 양자 윷놀이가 기존의 양자 게임과 같이 양자 현상을 잘 나타내는지 확인하기 위해 디랙 표기법을 이용해 분석하고, 참가자가 게임 내에서 양자 현상 이용을 능동적으로 수행하기 위해 양자 성질을 이용한 경우 게임에서 더 유리함을 계산을 통해 입증했다. 나아가 본 연구에서는 양자 윷놀이를 제언에 그치지 않고 실제 목적에 맞게 이용될 수 있도록 모바일 게임으로 제작하였는데, 게임 구현을 위해 프로그래밍된 일련의 과정을 소개한다. 양자 윷놀이 또한 2차원 게임 판에서 진행되므로 양자 현상을 현실감 있게 느끼기는 어렵다. 보다 정교한 간접 경험을 위해 가상현실(Virtual Reality, VR)기술과 같은 첨단 기술을 양자 물리를 융합하는 등 다양한 양자 게임에 대한 연구 개발이 필요하겠다. 양자 윷놀이가 갖는 한계에도 불구하고 한국에서 양자 현상에 게임화를 적용한 첫 시도라는 점에서 의미 있으며 앞으로 추가 연구를 통해 양자 게임의 유용성에 대해 파악할 필요가 있다.;The reason why many people find quantum physics difficult is because the concept is counterintuitive and cannot be experienced in daily life. Therefore, even indirect experience of quantum phenomena will help them feel more comfortable in quantum concepts and keep interests in it. This study focuses on the gamification to experience quantum phenomena in indirect but effective ways. We analyze two well-known quantum games, Quantum Tic-Tac-Toe and Quantum Chess, in the standard formulation of quantum mechanics, to find essential gamification factors and use them to develop a new quantum game. We have analyzed that these games meet the main objective of providing players indirect experiences of quantum phenomena, such as superpositions and entanglements, using the efficient Dirac notation. The results of the games can also be predicted by appropriate quantum mechanical computations. Furthermore, our analysis shows that the players will adopt strategies based on quantum phenomena more actively since they can increase the chance of winning by doing so. Nevertheless, they have several limitations: Quantum Tic-Tac-Toe is too simple to show various quantum strategies and Quantum Chess is too complicated for players to exercise both chess skills and quantum mechanical processes. This motivates us to develop a new quantum game, Quantum Yut-nori, by implementing various quantum concepts such as quantum parallelism. We analyze various quantum rules of the game in the standard Dirac notation and show that players have better chance of winning by adopting quantum strategies. In addition to the theoretical analysis, we have actually developed the Quantum Yut-nori in the platform of a mobile game to materialize it as a real one. In this thesis, we explain a series of programming algorithms used in the real game. While it has a meaning as the first quantum game developed in Korea, the Quantum Yut-nori needs to be further improved to meet the main goal of gamification by adopting new technologies such as virtual reality and by theoretical studies based on quantum physics.