전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_26.06호 (p28~29)

후지쓰가 복잡한 화학 계산이 가능한 새로운 계산 기법 개발, 양자컴퓨터의 산업 응용 앞당겨
수 만 큐비트 상당의 컴퓨터로 화학 분자 에너지 계산이 가능해져

후지쓰(富士通)와 오사카대학이 복잡한 화학 계산을 고속 처리할 수 있는 양자컴퓨터의 새로운 계산 기법을 개발했다. 이를 통해 기존 기법으로는 현실적인 시간 내에 계산할 수 없었던 분자 에너지 계산이 10일 전후로 가능해진다. 후지쓰와 오사카대학은 2030년을 목표로 신약 개발이나 소재 개발 등 시장 규모가 큰 분야에 양자컴퓨터를 적용해 나갈 방침이다.

이번에 양 측이 발표한 새로운 계산 기법을 이용하면 적은 큐비트 수로도 복잡한 분자 에너지를 계산할 수 있다. 기존 기술로는 100만 큐비트 이상의 대규모 양자컴퓨터로도 계산할 수 없었던 계산을 이론상 수만 큐비트로 5~13일 만에 계산할 수 있게 된다.

예를 들어, 신약 개발에 사용되는 '효소 시토크롬 P450' 분자 에너지의 경우, 4만 큐비트의 양자컴퓨터를 사용하면 단 9일 만에 계산할 수 있다. 기존 계산 기법으로는 74만 큐비트의 실제 양자컴퓨터로도 계산할 수 없다고 한다. 후지쓰연구소의 사토(佐藤) 양자연구소장은 "지금까지 1만~2만 큐비트로 실현할 수 있는 응용처를 찾고 있었다"라고 말한다.

복잡한 분자 에너지 문제는 고전 컴퓨터인 슈퍼컴퓨터로는 제대로 풀기 어렵다. 사토 연구소장은 그 이유에 대해 "화학 반응 계산에 필요한 전자의 중첩 상태를 고전 컴퓨터로는 충분한 정밀도로 계산할 수 없기 때문"이라고 설명한다. 최근, 이러한 계산에 강한 양자컴퓨터를 고속 시뮬레이션에 사용할 수 있을 것이라는 기대감이 높아지고 있다.

-- 열쇠는 분자 모델 최적화 --
후지쓰와 오사카대학은 이번에 2가지 기술을 조합해 현실적인 정밀도와 계산 시간을 실현했다. 지금까지 후지쓰와 오사카대학이 개발해 온 큐비트 수와 양자 게이트 조작 횟수를 대폭 줄일 수 있는 계산 기법의 개량 모델 'STAR 아키텍처 ver.3'에 계산 대상인 분자 모델을 최적화하는 기술을 조합한 것이다.

특히 분자 모델 최적화 기술이 분자 에너지 계산에 소요되는 시간을 단축시키는데 크게 기여한다. 기존에 사용되던 분자 모델의 근사 정밀도를 유지하면서도 계산 시간을 단축할 수 있게 분자 모델을 변형. 분자 구조의 대칭성을 잘 활용하면서 분자 모델 중에서 계산에 시간이 걸리는 '시간 발전법'으로 처리되는 항이 줄어들도록 최적화했다.

후지쓰가 최적화한 분자 모델을 사용해 대표적인 3가지 화학 소재에 대해 계산해본 결과, 이론상 최대 약 1,000분의 1로 계산 시간을 단축할 수 있었다. 이번 계산 기법은 특정 물질에 국한되지 않고 다양한 물질에 적용이 가능하며 동일하게 수백~천분의 1로 계산 시간을 단축할 수 있다.

이러한 결과는 물리 비트의 오류율이 0.01%일 때의 계산 결과이지만, 물리 비트의 정밀도가 조금 더 낮아도 현실적인 시간 내에 계산할 수 있다. 오류율이 0.1%인 경우에도 최적화된 분자 모델을 사용하면 계산에 소요되는 시간은 약 30~50일 정도이다. 오사카대학 대학원 기초공학연구과의 후지이(藤井) 교수는 "지금 구현할 수 있는 현실적인 물리 큐비트의 오류율은 0.1% 정도"라고 말한다.

-- 게이트 연산의 정밀도를 높인다 --
후지쓰와 오사카대학이 이번에 개량한 계산 기법 STAR 아키텍처 ver.3는 오류 내성 양자 계산에 필요한 큐비트 수를 크게 줄이면서도 높은 계산 정밀도를 실현할 수 있다. 지금까지는 오류 내성 양자 계산으로 화학 소재를 다루려면 약 100만 큐비트가 필요하다고 여겨져 왔지만, 이것을 수만 큐비트까지 줄일 수 있게 된다.

양자컴퓨터에서는 양자 게이트라고 불리는 연산 조합에 의해 다양한 계산이 가능해진다. 이러한 양자 게이트 중 모든 양자 계산을 가능하게 하는 것을 '기본 양자 게이트'라고 부른다. 하지만 이것을 그대로 적용하면 계산량이 방대해지기 때문에 후지쓰와 오사카대학은 기본 양자 게이트 조합을 고안해냄으로써 계산량을 줄이는 계산 기법인 'STAR 아키텍처'를 개발했다.

지금까지의 STAR 아키텍처에서는 기본 양자 게이트 가운데 오류 정정이 어려운 '논리 T 게이트'를 효율적인 '위상 회전 게이트'로 대체함으로써 계산에 필요한 큐비트 수 및 계산 시간을 줄였다. 하지만 이 기법에서는 계산 정밀도가 제한적이라는 문제가 있었다. STAR 아키텍처 ver.3에서는 위상 회전 게이트와 논리 T 게이트를 조합해 계산 정밀도를 10배 이상 높여 보다 규모가 크고 정밀도가 높은 계산을 실행할 수 있도록 했다.

오사카대학의 후지이 교수는 “지금까지 논리 T 게이트의 오류를 정정하는 데 방대한 큐비트를 소비했다”라고 말한다. 2025년에 후지이 교수 연구팀이 T 게이트의 정밀도를 높이는 기술을 개발함으로써 적은 계산 자원으로 논리 T 게이트를 다룰 수 있게 되었다.

실용적인 양자컴퓨터에는 큐비트의 오류를 정정하는 기술이 반드시 필요하다. 큐비트는 고전 비트에 비해 오류율이 높아 그 오류를 정정하는 데도 많은 큐비트를 사용해 비트의 중복성(Redundancy)을 가지게 할 필요가 있었다.

한편, 최근 연구에서는 계산 알고리즘의 개량을 통해 오류 정정에 필요한 큐비트 수를 지수함수적으로 줄일 수 있게 되었다. 후지이 교수는 "화학 양자 계산에 필요한 큐비트 수가 5년 후에는 1,000개 정도 될 수도 있다"라며 기대감을 나타냈다.

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