하이브리드 양자·슈퍼컴퓨터 시스템, 생체분자 시뮬레이션 워크플로 처음 완료

세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 가운데 하나인 Fugaku와 트랩드 이온 양자컴퓨터 Reimei에 걸쳐 전체 과학 워크플로가 사상 처음으로 실행됐으며, 이는 인프라 구축에서 실질적 적용으로의 전환을 의미한다. 이 시스템은 단백질과 같은 생체분자 내부에서 일어나는 화학 반응을 탐색했으며, 효소 기능부터 약물 상호작용에 이르기까지 생물학 전반에서 관찰되는 반응을 다뤘다.

Quantinuum은 일본 최대의 종합 연구기관인 RIKEN이 운영하는 일본 내 시설에 Reimei 양자컴퓨터를 설치했다. 이 시스템은 경제산업성 산하 국가 연구개발 기관인 New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)이 발주한 일본의 국가 프로젝트의 일환으로 슈퍼컴퓨터 Fugaku와 통합됐다.

연구팀은 고전적 슈퍼컴퓨팅과 양자컴퓨팅을 결합해 계산화학의 계층적 접근을 하이브리드 컴퓨팅 시대로 확장했다. 슈퍼컴퓨터 Fugaku는 기하 최적화와 기본 전자구조 계산을 담당했다. 양자컴퓨터 Reimei는 기존의 근사적 방법으로는 다루기 어려운 것으로 알려진 활성 부위(active site)에서 가장 난도가 높은 전자 상호작용을 더 정밀하게 처리하는 데 사용됐다. 전체 과정은 Quantinuum의 워크플로 시스템 Tierkreis를 통해 조율됐으며, 이를 통해 작업이 기기 간에 효율적으로 이동할 수 있었다.

생체분자 반응을 정확히 시뮬레이션하는 일은 극도로 어렵다. 화학 반응이 일어나는 영역인 ‘활성 부위’는 미세한 전자 효과가 결과를 좌우하기 때문에 매우 높은 정밀도가 요구된다. 동시에 이 활성 부위는 훨씬 더 큰 분자 환경에 포함돼 있으며, 그 환경 역시—대개는 더 낮은 상세 수준으로—표현돼야 한다.

연구진은 양자 하드웨어와 고전 하드웨어의 강점을 모두 활용하도록 알고리즘을 설계했다. 먼저 고전 컴퓨터가 분자 시스템의 근사적 기술을 구축한다. 그 다음 고전 컴퓨터가 처리할 수 없는 정교한 양자역학을 모델링하기 위해 양자컴퓨터를 사용한다. 두 접근을 함께 사용함으로써 정확도가 향상되며, 고전 시스템의 유용 범위를 확장한다.

이번 연구는 방법론에 초점을 맞추기 위해 단순화된 시스템을 사용했지만, 향후 drug design, enzyme engineering, photoactive biological systems에서의 적용을 위한 토대를 마련한다. 생체분자 반응의 정확한 시뮬레이션은 생화학 분야의 주요 난제 가운데 하나로 남아 있다.

단기적으로 생의학에서 양자 기술이 제공할 수 있는 가장 그럴듯한 성과는 신약개발을 위한 하이브리드 양자–고전 계산화학에서 비롯되며, 특히 고전적 기준선과의 엄밀한 벤치마킹이 가능한 de novo design과 lead optimization이 해당된다. 양자화학은 고전적으로는 다루기 어려운 분자 반응 경로와 결합 거동을 탐색할 수 있게 하며, 여기에는 신경퇴행성 질환과 혈액–뇌 장벽(blood-brain barrier)에 관한 가설도 포함된다.

완전한 오류내성(fault-tolerant)을 갖춘 대규모 양자컴퓨터는 아직 개발 단계에 있지만, 하이브리드 접근은 오늘날의 양자 하드웨어가 강력한 고전 시스템을 보강해 의미 있는 응용을 탐색할 수 있게 한다. 양자 기술이 성숙함에 따라 동일한 워크플로는 그에 맞춰 확장될 수 있다.

전 세계의 고성능컴퓨팅 센터들은 양자 장치가 자신들의 생태계에 어떻게 통합될 수 있을지를 적극적으로 모색하고 있다. 이 연구는 이기종 아키텍처 전반에 걸친 조율된 작업 스케줄링, 직접적인 하드웨어 접근, 워크플로 오케스트레이션을 입증함으로써 그러한 통합이 어떻게 달성될 수 있는지에 대한 구체적 사례를 제시한다. 일본의 연구 생태계 관점에서 이번 첫 적용 이정표는 하이브리드 양자–슈퍼컴퓨팅이 야심에서 구현으로 이동하고 있음을 시사한다.