AI에 도전장 던진 양자컴퓨터…국내 기술진 한계 극복

얼마 전 발표된 노벨화학상은 인공지능(AI)로 단백질 구조를 예측한 새로운 설계를 함으로써 신약개발이나 새로운 물질 개발이 가능하도록 한 워싱턴대 데이비드 베이커 교수, 구글 딥마인드 허샤비스 CEO, 존 점퍼 수석연구원 3명에게 돌아갔다.

AI와 데이터가 과학혁명을 주도하는 시대에 신약과 새로운 물질 개발에 또 다른 게임체인저로 양자컴퓨팅 기술이 크게 부상하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 양자기술연구단 임향택 박사 연구팀은 기존보다 적은 자원으로도 원자 간 결합거리와 바닥 상태 에너지를 화학적 정확도로 추정할 수 있는 양자컴퓨팅 알고리즘을 구현해 별도의 양자 오류 완화 기술 없이도 정확한 계산을 수행하는 데 성공했다.

양자컴퓨터는 연산 공간이 커지면서 오류가 급격히 증가하는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 고전 컴퓨터와 양자컴퓨터의 장점을 결합한 VQE(Variational Quantum Eigensolver) 방식이 등장했다.

VQE는 ‘변분 양자 고유값 계산기’라는 의미다. 양자컴퓨팅 프로세서(QPU)와 고전컴퓨팅 프로세서(CPU)를 함께 사용해 더 빠른 계산을 수행하도록 고안된 하이브리드 알고리즘이다.

IBM과 구글을 비롯한 글로벌 연구팀들이 초전도, 이온 트랩 등 다양한 양자 시스템에서 이를 연구하고 있다. 하지만 큐비트 기반의 VQE는 현재 광자 시스템에서 최대 2큐비트, 초전도 시스템에서는 12큐비트까지 구현된 상태로, 더 많은 큐비트와 복잡한 연산이 필요한 경우 오류 문제가 발생하여 확장이 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 큐비트 대신 큐디트(Qudit)라는 고차원의 양자 정보를 활용하는 방식을 도입했다. 큐디트는 기존 큐비트가 표현할 수 있는 0과 1 외에도 0, 1, 2 등 여러 상태를 가질 수 있는 양자 단위다. 복잡한 양자 계산에 유리하다.

이번 연구에서는 광자의 궤도각운동량 상태를 이용해 큐디트를 구현했다. 홀로그램 이미지를 통해 광자의 위상을 조절함으로써 차원 확장이 가능했다. 이를 통해 복잡한 양자 게이트 없이도 높은 차원의 계산이 가능해져 오류를 줄일 수 있었다.

연구팀은 이 방법으로 4차원에 해당하는 수소 분자와 16차원에 해당하는 리튬 하이드라이드(LiH) 분자의 결합 거리를 추정하는 양자화학 계산을 VQE로 수행했다. 이는 광자 기반 VQE를 통해 16차원 계산을 구현한 첫 사례다.

IBM, 구글 등 기존의 VQE는 화학적 정확도를 위해 오류 완화 기술이 필요했다. 그러나 KIST 연구팀의 VQE는 별도 오류 완화 없이도 정확도를 확보했다.

이는 적은 자원으로도 높은 정확도를 얻을 수 있는 방법을 제시해, 분자 특성이 중요한 산업에 폭넓게 적용될 가능성을 보여준다. 또한, 기후 모형화와 같은 복잡한 문제 해결에도 유용할 것으로 기대된다.

임향택 KIST 박사는 “적은 자원으로도 화학적 정확도에 도달 가능한 큐디트 기반 양자컴퓨팅 기술을 확보함으로써, 신약 개발과 배터리 성능 개선 등 다양한 실용적인 분야에 활용되기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 한국연구재단 양자컴퓨팅기술개발사업(2022M3E4A1043330) 등으로 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘Science Advances’에 게재됐다.

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