양자 컴퓨터, 1만2000개 원자 단백질 시뮬레이션 성공…바이오 연구 새 지평

양자 컴퓨팅 기술이 바이오·의학 분야의 난제로 꼽히는 대규모 단백질 시뮬레이션에서 기념비적인 성과를 거뒀다.
5일(현지시각) 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 IBM과 클리블랜드 클리닉, 일본 이화학연구소(RIKEN) 공동 연구팀은 최근 1만 2,000개가 넘는 원자로 구성된 단백질 시스템을 모델링하는 데 성공하며 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅의 실용성을 입증했다.


연구팀은 생물학적으로 중요한 역할을 하는 'T4-리소자임'과 '트립신' 단백질을 실제와 유사한 수용액 환경에서 모델링했다. 이번 시뮬레이션에 포함된 시스템은 최대 1만 2,635개의 원자와 약 3만 개의 오비탈을 포함하는 방대한 규모다. 이는 불과 몇 달 전 수행됐던 303개 원자 규모의 모델링보다 40배 이상 확장된 수치로, 양자 컴퓨팅의 비약적인 발전 속도를 보여준다.

이번 성과는 양자 프로세서(QPU)와 고성능 고전 슈퍼컴퓨터(HPC)를 결합한 '양자 중심 슈퍼컴퓨팅' 워크플로우를 통해 가능했다. 계산의 가장 복잡한 영역은 94개의 큐비트를 갖춘 양자 하드웨어가 담당하고, 기존 슈퍼컴퓨터는 전체적인 결과를 종합하는 방식을 취했다.

연구진은 두 개의 양자 프로세서를 활용해 100시간 동안 9,200개의 회로를 가동하며 13억 개의 측정 데이터를 수집했다. 이렇게 얻은 방대한 양자 데이터는 세계 최고 수준의 성능을 자랑하는 일본의 '후가쿠(Fugaku)' 슈퍼컴퓨터 등을 통해 정밀 분석되었다.

이 과정에서 연구팀은 거대 분자를 관리 가능한 작은 클러스터로 나누는 기법을 적용했다. 특히 분자의 어떤 부분에 정밀한 양자 처리가 필요한지 식별하는 알고리즘을 개선하여 전체 계산 비용을 낮추고 정확도를 이전보다 210배 향상시키는 성과를 냈다.


이번 연구는 아직 고전적 시뮬레이션 방식을 완전히 추월하는 '양자 우위' 단계에 도달한 것은 아니지만, 실제 과학적 문제를 해결하는 도구로서 양자 컴퓨터의 가능성을 명확히 보여줬다는 평가를 받는다.
연구를 주도한 케네스 메르츠 박사는 "향후 1~2배 이상의 추가 성장을 기대한다면 양자 컴퓨팅이 유일한 해법이 될 것"이라며 기대를 내비쳤다. 업계는 이 기술이 상용화될 경우 신약 후보 물질 발굴 속도를 획기적으로 높이고, 고비용이 발생하는 실험실 테스트를 대체해 의료 및 소재 산업 전반에 혁신을 가져올 것으로 보고 있다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com