양자컴퓨터 보편화 시대 오나…구글, 화학반응 시뮬레이션 세계 첫 성공

구글의 연구자들이 양자컴퓨터로 화학반응이 일어나는 과정을 시뮬레이션(이하 모의실험)하는 데 전 세계에서 처음으로 성공했다. 사실 이번 모의실험 자체는 매우 단순한 것이지만, 양자컴퓨터를 보편적으로 활용하는 시대에 한 걸음 더 나아갔다는 점에서 의미가 크다.

세계적인 학술지 ‘사이언스’ 8월 28일자에 실린 연구논문에 따르면, 이번 모의실험에는 이른바 ‘시커모어’라고 부르는 54큐비트(양자비트. 양자컴퓨터의 정보 최소 단위)급 양자컴퓨터가 사용됐다. 시커모어는 지난해 10월 당시 최고 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸리는 연산을 단 200초(3분 20초) 만에 해결함으로써 ‘양자 우월성’(양자 우위)을 입증한 것으로 유명하다.

물론 지금까지 기존 슈퍼컴퓨터로도 많은 화학반응 모의실험이 이뤄졌다. 하지만 화학반응에 관여하는 원자나 분자가 늘어날 때마다 계산은 기하급수적으로 복잡해진다. 게다가 이런 컴퓨터로는 복잡성의 폭발적인 증가를 따라가는 것이 점점 더 어려워지고 있는 것이다.

반면 양자컴퓨터에 있어 이런 계산량 증가는 그리 걱정되는 문제가 아니다. 큐비트를 1개 늘릴 때마다 처리능력은 2배가 되므로 적절한 알고리즘을 이용하면 계산능력 역시 폭발적으로 늘릴 것으로 예상되기 때문이다. 이번 연구에 쓰인 시커모어는 54큐비트를 구동하므로, 2의 54승에 달하는 경우의 수(약 1경 8000조)를 동시에 처리할 수 있다.

참고로 이번 연구에서 모의실험 대상이 된 화학반응은 극히 간단한 화합물로 2개의 질소 원자와 2개의 수소 원자로 구성된 ‘디이미드’(N₂H₂) 분자다. 이 디이미드 분자에는 수소 원자의 위치가 논문에 첨부된 이미지처럼 같은 방향에 있는 패턴(cis)과 다른 방향에 있는 패턴(trans)이라는 2가지 상태가 알려졌다.

모의실험에서는 이 디이미드 분자가 2가지 상태로 바뀌는 과정이 계산됐다. 그 결과, 화학반응을 양자컴퓨터로 모의실험한 값은 기존 슈퍼컴퓨터에 의한 계산 값은 물론 현실 세계의 측정값과도 일치하는 것으로 나타났다.

사실 이번 모의실험에 이용된 화학반응은 매우 간단한 것이어서 일반적인 노트북으로도 충분히 재현할 수 있다. 하지만 이번 첫걸음이 계산화학 분야에서는 매우 큰 진전이라 할 수 있다. 양자컴퓨터는 큐비트를 늘리거나 간단한 알고리즘(계산 방법 또는 계산 순서)의 변화만으로 규모를 크게 늘릴 수 있기 때문이다.

이에 대해 구글의 연구자들은 “앞으로는 완전히 새로운 화학물질을 양자컴퓨터의 계산만으로도 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr