슈퍼컴퓨터도 포기한 수학 난제, 양자 컴퓨터로 푼다

미래 컴퓨팅 기술의 핵심으로 꼽히는 양자 컴퓨터가 슈퍼컴퓨터조차 해결하지 못하는 고차원 수학 난제를 풀 수 있다는 연구 결과가 나와 학계의 이목을 집중시키고 있다. 아직 개발 초기 단계지만 다양한 응용 분야에서 강력한 도구로 활용될 수 있음을 증명하며, 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가다.

11일(현지시각) 과학 뉴스 사이트 인터레스팅엔지니어링에 따르면 퀀티넘(Quantinuum) 연구진은 3차원 공간에서 꼬여있는 형태를 연구하는 수학 분야인 '매듭 이론'의 난제를 풀 수 있는 종단간 양자 알고리즘을 개발했다고 밝혔다. 이 알고리즘은 기존 컴퓨터로는 해결 불가능했던 복잡한 매듭의 특성을 분석하고, 이를 통해 다양한 과학 분야의 난제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.


매듭 이론은 특히 분자생물학에서 DNA 복제 과정 중 발생하는 초나선 및 매듭 현상을 연구하는 데 필수적인 도구로 활용된다. 양자 컴퓨터를 이용한 매듭 이론 연구는 DNA 복제 원리를 규명하고, 나아가 유전 질환 치료법 개발에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구는 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터의 한계를 뛰어넘어 현실 세계의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 '양자 우위'를 실질적으로 증명할 수 있는 잠재적 이정표를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 그동안 양자 우위를 주장하는 연구는 많았지만, 실제 활용 사례는 부족했던 것이 사실이다.
퀀티넘 연구진은 아직 양자 우위를 달성하지는 못했지만, 올해 출시될 96큐비트 '헬리오스(Helios)' 양자 프로세서를 통해 충분히 가능성을 보여줬다. 매듭 이론의 핵심인 '존스 다항식' 계산에서 기존 방식보다 양자 게이트 사용량을 15배나 줄이는 성과를 거뒀다.


매듭 이론은 꼬이거나 휘어진 공간의 특성을 연구하는 위상수학 분야에 속한다. 두 매듭이 동일한지 판단하는 것은 쉽지 않으며, 이때 '존스 다항식'이 지문처럼 활용된다. 두 매듭의 존스 다항식이 다르면 위상적으로 다른 매듭이지만, 같다고 해서 항상 같은 매듭인 것은 아니다.

매듭이 복잡해질수록 존스 다항식을 계산하는 것은 어려워지지만, 매듭을 구분하는 데 중요한 매개변수로 활용된다. 퀀티넘 연구진이 개발한 종단간 양자 알고리즘은 존스 다항식을 계산하는 데 필요한 연산 수를 크게 줄여 양자 컴퓨터의 효율성을 높였다.


연구진은 실험 결과, 85큐비트 이상의 양자 컴퓨터가 필요하다고 분석했다. 96큐비트의 헬리오스 프로세서는 이 기준을 충족하며, 99.95%의 충실도를 달성할 것으로 예상된다. 이는 양자 우위를 확보하는 데 필요한 99.99%에 근접한 수치다.

이번 연구 결과는 암호학, 통계역학, 자기유체역학 등 매듭 이론이 활용되는 다양한 분야에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 퀀티넘 연구진은 "현재의 접근 방식은 고전적으로는 어렵지만, 양자적으로는 쉬운 유사한 문제에도 적용될 수 있다"고 설명했다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com


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