시스템 아키텍처: 클라우드 없는 직결 연동
이번 연구는 NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구) 주도 과제로 수행됐다. 후가쿠 측에는 96개 A64FX 컴퓨팅 노드가 투입돼 NTChem 소프트웨어로 분자 형상 최적화, 하트리-폭(Hartree-Fock) 계산, 형상 상호작용 단일(CIS) 평가를 담당했다. 양자 코프로세서 레이메이는 RIKEN 구내에 직접 설치된 20물리 큐비트 이온트랩 장치로, 전-대-전(all-to-all) 연결성을 갖춘 16 논리 큐비트로 운용됐다.
두 시스템 간 작업 조율은 Tierkreis 데이터플로 프레임워크와 TKET 컴파일러가 맡았으며, 클라우드 멀티테넌트 대기열 대신 직접 접근 API를 통해 비동기 스케줄링이 이뤄졌다. 이는 국가급 슈퍼컴퓨팅 센터 환경에서 양자-고전 직결 운영이 실제로 작동함을 처음 보인 사례 중 하나다.
화학 모델: ONIOM 분할과 활성 부위
계산 대상은 탄소 나노튜브 벽 안에 놓인 레티날 분자다. 광수용에서 광이성화, 효소 촉매 등 복잡한 화학 반응을 모사하려면 활성 부위(강한 다배열 전자 상관)와 주변 환경부(약한 상관)를 다른 수준으로 처리해야 한다는 구조적 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 감산형 ONIOM(QM1/QM2) 분할을 적용했다. 환경부는 후가쿠가, 강상관 활성 부위는 레이메이가 각각 담당하는 역할 분리 구조다.
TE-QSCI 알고리즘과 아이스버그 오류 검출
양자 계산에는 TE-QSCI(Time-Evolved Quantum Selected CI) 알고리즘이 도입됐다. 단일 기준 시험 상태 대신, 근사 완전 활성 공간 파동함수를 16 논리 큐비트에 초기화한 뒤 트로터화 시간 진화로 고차 크릴로프(Krylov) 부분 공간 전자 배열을 샘플링하는 방식이다. 샘플링 결과는 다시 후가쿠로 넘어가 부분 공간 해밀토니언 행렬 대각화에 활용됐다.
오류 검출에는 [[18, 16, 2]] '아이스버그(iceberg)' 코드가 사용됐다. 측정 후선별(post-selection)로 무게-1 오류를 걸러낸 결과, 12,214회 측정 샷에서 평균 67.9%의 생존율을 기록했다.
성과 수치와 의미
전체 샘플링에서 초기 고전 활성 공간 외부의 전자 배열 2,149개가 새로 발견됐으며, CASCI(8,8) 기준의 주요 6개 배열을 모두 정확히 포착했다. 고유상태 충실도는 단일항 바닥상태(S0) 0.994, 첫 번째 단일항 여기상태(S1) 0.995, 삼중항 바닥상태(T0) 0.996으로 나타났다. 여기 에너지 오차는 고전 기준선 대비 0.18 eV에서 0.03 eV로 감소했다.
다만 현재 레이메이는 물리 20큐비트(논리 16큐비트) 규모로, 실제 신약 개발이나 소재 설계 적용까지는 큐비트 수와 회로 깊이 양쪽에서 상당한 확장이 필요하다. 결과는 arXiv 프리프린트로 공개됐으나 동료 심사는 아직 완료되지 않은 단계다.
전문은 원문에서 읽으세요
이 글은 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Quantinuum and RIKEN Execute End-to-End Hybrid Quantum-HPC Chemistry on Fugaku and Reimei
