퀀텀 컴퓨팅(Quantum computing)은 양자 기술(Quantum technology)의 대표주자로 인공지능(AI)과 함께 최근 글로벌 시장에서 가장 각광받고 있는 분야다. 디지털 컴퓨팅이 주도하는 기존 컴퓨터의 패러다임을 완전히 바꿀 것으로 예상되는 퀀텀 컴퓨팅은 기존 컴퓨터가 풀기 어려운 미지의 영역까지도 해결의 실마리를 제공하는 막강 영향력을 행사할 것으로 기대한다. 이에 따라 우리 정부도 양자 기술의 선도국가가 되기 위해 노력하고 있다. 그렇다면 퀀텀 컴퓨팅 ‘격전지’에서는 어떤 일이 벌어지고 있는지 따라가 보기로 한다. <편집자 주>

 

 

[뉴스투데이=최봉 산업경제 전문기자] 올해는 양자역학이 발견된 지 100년이 되는 해이다. 이를 기념하기 위해 유엔(UN)은 2025년을 ‘국제 양자 과학 및 기술의 해(International Year of Quantum Science and Technology)’로 선포하기도 했다.

 

양자역학이라는 획기적인 발견을 통해 사람들은 분자, 원자, 아원자(亞原子) 입자 등 가장 작은 수준에서 우리 주변 세계를 지배하는 물리 법칙이 일상생활에서 우리가 물체와 상호작용하는 방식을 지배하는 법칙과 근본적으로 다르다는 것을 이해하는데 도움을 주었다.

 

지난 4월 14일 ‘세계 양자의 날’을 맞아 구글 퀀텀 AI 팀(Quantum AI Team)은 퀀텀 컴퓨터가 삶을 개선할 수 있는 세 가지 영역을 살펴보는 자료를 보여주었다.

 

 

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• 의학 분야의 진전

 

연구자들은 인체의 복잡한 생물학적 시스템에 대해 아직 배워야 할 것이 많다. 따라서 퀀텀 컴퓨터는 약물 설계 및 신진대사와 관련된 주요 시스템을 이해하는 데 도움을 주고 있으며 더 깊이 이해하는 데 필요한 도구가 되었다.

 

특정 약물 후보 물질이 표적 및 다른 생물학적 분자와 어떻게 상호 작용하는지 계산함으로써 퀀텀 컴퓨터는 더 효과적인 치료법을 설계하고 의학을 발전시키는 데 도움이 될 수 있다.

 

예를 들어, 제약 회사인 베링거 잉겔하임과 협력해 퀀텀 컴퓨터가 인간에게서 발견되는 효소인 ‘시토크롬 P450’의 핵심 구조를 기존 컴퓨터보다 더 짧은 시간에 더 높은 정확도로 시뮬레이션할 수 있음을 보여주었다.

 

시토크롬 P450은 혈류에서 약물을 분해하기 때문에 약물 효과를 결정하는 데 중요한 효소이다.

 

 

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• 더 나은 배터리, 소재 개발로 이어져..

 

전 세계적으로 에너지에 대한 수요와 이를 저장할 수 있는 능력은 매년 증가하고 있다. 구글은 퀀텀 컴퓨터를 활용해 새로운 소재를 설계하는 방법을 연구하고 있다.

 

예를 들어, 화학 회사 BASF와 협력해 퀀텀 컴퓨터가 배터리에 사용되는 소재인 리튬 니켈 산화물(LNO)을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는 방법을 연구했다.

 

LNO는 산업적으로 생산하기 어렵고 화학적 구조도 잘 알려져 있지 않지만, 일반적으로 사용되는 리튬 코발트 산화물보다 ‘환경 발자국’이 적다. 또한, 배터리에 코발트를 사용하는 것을 대체할 수 있는 방법도 모색하고 있다.

 

LNO의 양자 역학적 거동을 시뮬레이션하면 산업 생산 공정을 개선하고 궁극적으로 더 나은 배터리를 만드는 데 도움이 될 수 있다.

 

 

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• 새로운 에너지원, 핵융합 반응 시뮬레이션 가능하게..

 

태양과 같은 별의 에너지원인 핵융합 에너지는 깨끗하고 풍부한 에너지를 제공할 수 있다는 가능성을 제시하지만, 아직 대규모로 실현되지는 못했다.

 

필요한 반응로를 설계하려면 극한의 핵융합 조건에서 물질을 이해하기 위한 계산 모델에 의존해야 한다. 그러나 현재 모델은 정확도가 낮아 실제 결과와 일치하지 않는 경우가 많으며, 수십억 CPU 시간을 요구한다.

 

샌디아 국립 연구소와 협력해 구글 연구진은 내결함성 퀀텀 컴퓨터에서 실행되는 양자 알고리즘이 지속적인 핵융합 반응에 필요한 메커니즘을 더욱 효율적으로 시뮬레이션할 수 있음을 보여주었으며, 이는 궁극적으로 핵융합 에너지의 실현에 기여할 수 있다.

 

 

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• 이제 시작에 불과, 퀀텀 컴퓨팅 전체 스택의 발전 필요

 

양자역학 덕분에 우리는 혈류의 대사 과정부터 자동차와 컴퓨터에 동력을 공급하는 전기 배터리, 레이저에서 반도체에 이르는 다양한 분야의 세부 사항을 이해할 수 있게 되었다.

 

위험 관리와 같은 금융 애플리케이션과 재료 과학 및 물류 최적화 분야도 단기적으로 퀀텀 컴퓨터의 혜택을 받을 가능성이 크다.

 

이러한 다양한 분야의 발전은 큰 도약이지만, 퀀텀 컴퓨팅으로 가능한 것의 시작에 불과하다.

 

퀀텀 컴퓨팅의 잠재력을 최대한 실현하려면 더 나은 큐비트 구축 및 확장, 양자 오류 수정 개선, 새로운 양자 알고리즘 개발 및 현실 세계에 적용을 포함한 전체 스택에 걸친 발전이 필요하다.

 

 

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