양자컴퓨팅 발전, 신약 발굴과 소재 연구 속도 높인다

중국 과학자들이 양자 시스템에서 드문 중간 상태를 관찰하고 제어하는 데 성공해, 사실상 양자 혼돈(quantum chaos)을 늦추는 성과를 냈다. 연구진은 78-큐비트 초전도 프로세서인 Chuang Tzu 2.0을 사용해 일시적으로 안정적인 상(phase)이 얼마나 길어지거나 짧아질 수 있는지를 보여줬다.

연구팀은 prethermalisation plateau(전열화 플래토)라는 상태를 확인했다. 이는 시스템이 무질서에 저항하다가, 이후 빠르게 완전한 복잡성으로 떨어지기 전까지의 짧은 기간을 의미한다. 제어 시퀀스를 정밀하게 조정함으로써 과학자들은 양자 탈동조화(quantum decoherence) 속도를 조절하고 정보가 퍼져 나가는 방식을 제어할 수 있었다. Nature에 게재된 이번 결과는 취약한 양자 정보를 보존할 수 있는 잠재적 ‘시간 창’을 제공한다. 결맞음(coherence) 시간이 길어지면 양자컴퓨팅의 신뢰성과 오류 보정(error correction) 방법을 크게 개선할 수 있다.

연구진은 이번 연구가, 고전적 슈퍼컴퓨터로는 너무 복잡해 시뮬레이션하기 어려운 현상을 모사하는 데 있어 양자 프로세서가 갖는 장점도 부각한다고 밝혔다. 응용 분야는 drug discovery(신약 발굴)와 advanced materials research(첨단 소재 연구)부터 차세대 보안 통신까지 폭넓을 수 있다.

과학자들이 복잡한 화학 문제를 다루는 데 도움이 될 강력한 양자화학 엔진이 새로 공개됐다. **Extreme-scale Electronic Structure System (EXESS)**는 양자화학의 여러 질문을 해결하기 위해 초당 1퀸틸리언(quintillion) 회가 넘는 계산을 수행할 수 있다. 이 신기술은 신약 발굴, 재료과학 등 다양한 분야의 연구 속도를 획기적으로 높일 수 있다.

양자화학 계산은 신약과 신소재 개발에서 핵심적 역할을 한다. 예를 들어 연구자들은 양자화학 시뮬레이션을 통해 약물이 체내 분자 결합 부위(binding site)와 어떻게 상호작용하는지 이해한다. 이러한 이해는 결합의 속도와 효율을 최적화하기 위해 약물 분자를 수정하는 데 도움이 될 수 있다.

필요한 연산 자원은 시스템 내 원자 수가 늘어날수록 지수적으로 증가한다. 수천 개의 원자를 포함할 수 있는 단백질 같은 큰 분자를 정확히 풀어내는 문제는 곧 감당하기 어려워진다. EXESS는 다른 많은 양자화학 소프트웨어 패키지보다 3,000~4,000배 빠르게 작동해, 단백질과 같은 큰 분자에 대한 계산을 가능하게 한다. 이처럼 큰 폭의 성능 향상을 이끄는 단일 혁신이 있는 것은 아니며, 기존(전통적) 하드웨어에서 구동되므로 양자컴퓨팅이 필요하지도 않다.

연구팀이 계산을 가속한 방법 중 하나는 여러 연산을 동시에 수행할 수 있도록 한 것이다. 많은 양자화학 알고리즘은 순차적 단계로 동작하도록 설계돼 있다. 연구팀은 알고리즘 또는 이론적 접근을 수정해 더 많은 프로세스를 병렬로 실행할 수 있는 방법을 찾아냈다. 또한 molecular fragmentation(분자 단편화)이라는 기법을 구현했는데, 이는 문제를 더 작은 단편으로 나눈 뒤 그 단편들을 동시에 계산하고, 이후 결과를 다시 이어 붙이는 방식이다. 이를 통해 큰 계산을 많은 작은 계산으로 나눠 동시에 수행함으로써 속도를 높일 수 있었다.

원칙적으로 약 1개월이 걸릴 수 있는 계산이 EXESS로 실행하면 실제로는 약 12분에 가까운 시간에 완료되기도 한다. 해당 회사는 현재 EXESS를 신약 발굴에 활용하는 데 집중하고 있으며, 의약품과 인체 간 상호작용을 찾아 최적화하거나 기존 약물이 어떻게 작용하는지, 그리고 사람들이 왜 이에 대한 내성(resistance)을 갖게 되는지를 더 잘 이해하는 데 목표를 두고 있다. 회사는 승인된 연구 프로젝트에 대해 무료 이용을 제공하고 있다. 제한된 버전의 소프트웨어는 일반 대중에게도 제공된다.

신약 발굴, 새로운 배터리 화학 개발, 소재 시뮬레이션, 사기 탐지 등은 양자컴퓨터의 주요 응용 분야로 꼽힌다. 양자컴퓨팅은 기술 전략 가운데 유력한 후보로 강조되고 있으며, 전 세계 정부가 이를 계속 추진하고 있다. 양자컴퓨팅 시장은 2046년까지 210억 달러를 넘어설 것으로 추정되며, 연평균 성장률(CAGR)은 26.7%로 전망된다.

현재 더 크고 더 강력한 양자 칩 개발이 지속적으로 진행 중이다. 이러한 전이 상태(transitional state)를 숙달하는 것이 양자 기술의 잠재력을 온전히 여는 데 핵심이 될 것이다.