양자컴퓨터, 신약 개발부터 쓰인다
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| 출처 | https://n.news.naver.com/mnews/article/053/0000044046 |
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현대 물리학의 정점으로 꼽히는 양자컴퓨터가 신약 개발에 우선적으로 쓰일 전망이라고 국제학술지 '사이언스'가 예측했다. 양자컴퓨터는 기본 정보단위인 '큐비트'의 안정화와 양자 AI 학습에 필요한 양질의 데이터를 확보해야 해서 아직 다양한 분야에 활용하기엔 이르다. 그럼에도 신약 개발·단축에 양자컴퓨터가 곧 먼저 활용될 것으로 본 이유는 무엇일까.
빠른 연산으로 신약 후보물질 탐색
현재 신약을 개발하려면 10년 이상 걸린다. 수십만 개 후보 물질의 효능을 일일이 분석해야 하기 때문이다. 반면 양자컴퓨터는 빠른 연산을 통해 신약 후보 물질 탐색 기간을 몇 분으로 단축시킬 수 있다. 기존 컴퓨터로는 만들기 어려웠던 신약 개발도 가능하다. 또 현존 최고의 슈퍼컴퓨터가 수백 년 걸려서도 풀기 힘들었던 문제를 단 몇 초의 속도로 풀 수 있다.
양자컴퓨터는 양자역학의 독특한 상태인 중첩과 얽힘 현상을 활용해 복잡한 문제를 빠르게 연산하는 장치를 말한다. 반도체가 아닌 원자를 기억소자로 활용한다. 현재의 디지털 컴퓨터는 '01'을 표현할 때 0과 1이라는 2개의 '비트(Bit)'를 사용해 0과 1 두 가지 형태로 한 번에 하나의 계산을 수행한다. 반면 양자컴퓨터의 '큐비트(qubit)'는 0과 1 중 어느 한쪽이 아니라 2개의 상태(01)가 동시에 존재하는 중첩 현상을 이용하여 정보로 처리한다.
예를 들어 큐비트 2개는 00, 01, 10, 11 등 4개 값을 동시에 가질 수 있다. 큐비트가 표시할 수 있는 정보량이 3개면 8개(2의3제곱), 4개면 16개(2의4제곱)의 상태를 동시에 갖는다. n개의 큐비트는 2의n제곱만큼 가능하게 되므로, 입력 정보량의 연산 능력이 기존의 디지털 컴퓨터와 비교할 수 없을 만큼 빨라진다.
이에 글로벌 테크 기업인 아마존, 마이크로소프트, IBM, 구글, 퀀티넘 등은 최근 양자컴퓨터 개발에 열심이다. 국제학술지 '사이언스'는 특히 현존하는 가장 안정적인 큐비트를 구현한 퀀티넘(Quantinuum)의 기술과 IBM의 1121큐비트 양자컴퓨터 개발 덕분에 신약 개발의 길이 가까워 보인다고 짚었다. 퀀티넘은 2021년 창립된 미국 양자컴퓨팅 스타트업이다.
먼저 큐비트 개수를 계속 늘리고 있는 IBM의 양자컴퓨터를 보자. IBM은 지난해 말 초전도 회로를 기반으로 한 사상 첫 1121큐비트 양자컴퓨터를 개발했다. 큐비트가 1121개이면 2의1121제곱 속도로 연산할 수 있는 셈이다. IBM은 수년 전부터 매년 큐비트 수가 2배 이상 늘어난 로드맵을 제시하고 있다. 2021년에는 127큐비트 칩, 2022년에는 433큐비트 칩을 공개했다. 내년엔 1386큐비트 칩을, 2026년 이후에는 1만큐비트가 넘는 칩을 개발할 계획이다.
큐비트 개수(볼륨)가 300개이면 우주에 존재하는 원자 수보다 더 많은 양의 정보처리가 가능하다. 큐비트가 커질수록 양자컴퓨터의 연산 속도는 기하급수적으로 올라간다. 이 때문에 신약 개발 모든 과정에 양자컴퓨터 기술이 더해지면 보다 광범위한 분자화합물의 약학적 성질을 빠르게 예측할 수 있어 개발 속도가 비약적으로 빨라진다. 생명체를 구성하는 화학 물질의 특성을 원자 단위에서 파악하는 원천 연구부터 의료·제약 분야에서 인류가 찾지 못한 신물질을 발굴하는 데 활용되는 식이다.
문제는 큐비트 개수나 밀도가 늘어날수록 오류율도 증가해 제어하기가 어렵다는 점이다. 오류 수정은 양자컴퓨터 상용화의 가장 큰 장벽 중 하나다. 큐비트는 극히 짧은 시간 동안만 양자 상태를 유지하고, 약간의 온도 변화나 작은 교란만으로도 얽힘과 중첩에서 벗어날 수 있다. 큐비트를 공에 비유한다면 미미하게 진동하는 공이 옆의 공에도 영향을 미쳐 섬세한 상태를 파괴할 수 있기 때문에 결과값에 오류가 발생하기 쉽다.
현재 쓰이는 모든 컴퓨터에는 '오류 정정 코드'라는 기술이 들어간다. 그렇다고 기존 디지털 컴퓨터에 쓰이는 오류 정정 방식의 개념을 양자컴퓨터에 그대로 쓸 수는 없다. 전자나 원자핵의 양자현상을 하나하나 정밀 제어해 연산을 수행하게 하는 기술이 필요하기 때문이다.
또 큐비트가 중첩 상태를 오랫동안 유지하게 하려면 장치도 많이 필요하다. 그만큼 양자를 자유자재로 다뤄서 큐비트를 구현하는 일이 어렵다는 얘기다. '사이언스'는 큐비트와 관련된 오류율을 크게 줄인 퀀티넘의 기술이 신약 개발을 가능하게 하고, 양자컴퓨터의 상용화를 앞당길 것으로 전망했다.
오류율 줄여 상용화에 더 다가서
퀀티넘은 전자기장으로 이온을 붙잡아두는 '이온트랩'을 이용해 큐비트를 만들었다. 양자컴퓨터는 큐비트를 어떻게 구현할 것이냐에 따라 초전도, 이온트랩, 위상 방식 등으로 나뉜다. 이온트랩 방식의 양자컴퓨터는 희토류인 이터븀의 양이온을 큐비트(기억소자)로 활용한다. 퀀티넘은 지난해 이터븀 이온 칩을 사용해 가장 안정 상태에 놓인 수소 분자 내 두 전자의 정확한 배열을 계산해냈다. 이는 신약 개발에서 더 복잡한 분자를 처리할 것으로 예상되는 양자 시뮬레이션의 첫 시연이었다는 게 '사이언스'의 평가다.
또 퀀티넘은 마이크로소프트와 함께 양자컴퓨터의 최대 난제인 오류율을 어느 정도 해결했다. 오류를 필터링하고 수정하도록 설계된 마이크로소프트의 '큐비트 가상화 시스템'을 퀀티넘의 '이온트랩 하드웨어'에 적용해 1만4000회 이상 오류 없이 작동하는 '논리적 큐비트'를 지난 4월 개발했다. 이는 물리적 큐비트만 사용할 때보다 오류율이 최대 800배까지 개선된 것이다. '사이언스'는 세계에서 가장 강력한 퀀티넘의 양자컴퓨터와 마이크로소프트의 최첨단 오류 수정 알고리즘을 통해 양자 애플리케이션의 다음 진화가 기대된다고 밝혔다.
최근엔 기존 컴퓨터와 양자컴퓨터를 결합하는 하이브리드 접근법을 수용해 난치병을 치료할 신약을 개발하려는 기업들이 늘고 있다. 큐비트제약이 대표적이다. 이 기업은 하이브리드 시스템 모델과 자체 개발한 '아틀라스 소프트웨어'로 신약 개발 플랫폼을 구축하고 있다.
김형자 과학칼럼니스트 bluesky-pub@hanmail.net
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