80큐비트에서 처음 넘은 화학적 정확도 문턱
화학적 정확도는 분자 에너지 계산에서 약 1 kcal/mol 이하의 오차를 의미하며, 실용적 화학 시뮬레이션의 최소 요건으로 간주된다. Qunova Computing은 HI-VQE(Hamiltonian Imaginary-time evolution VQE) 알고리즘이 이 기준을 80큐비트 규모에서 충족한 최초의 양자 알고리즘이라고 밝혔다.
시뮬레이션 대상인 4Fe-4S 철-황 큐베인 클러스터는 페레독신, 수소화효소, 질소화효소 등 금속단백질의 촉매·전자 전달 핵심 구조로서, 생물학적 질소 고정과 수소 생산 메커니즘 이해에 직결된다. 동시에 이 분자는 어떤 방법으로도 정확한 해석해를 구할 수 없는, 양자화학에서 가장 계산 집약적인 계로 꼽힌다.
DMRG 고전 벤치마크와의 비교
HI-VQE로 추출한 바닥상태 에너지는 −327.2482 ± 0.0007 Hartree로, 현재 고전 방법의 최고봉으로 평가받는 DMRG(Density Matrix Renormalization Group) 기준값 −327.2471 Hartree와 화학적 정확도 범위 내에서 일치했다. 아울러 최근 발표된 TrimCI(Trimmed Configuration Interaction) 외삽 결과보다도 더 정확한 수치를 기록했다. 이로써 양자 기반 접근법이 복잡 분자 계산에서 고전 최우수 방법과 동등한 위치에 올랐다.
계산 효율성: SQD 대비 약 300배 절감
HI-VQE의 또 다른 성과는 계산 자원 효율이다. 같은 분자를 대상으로 한 기존 SQD(sample-based quantum diagonalization) 방법과 비교했을 때, HI-VQE는 두 번째 반복 계산에서 Fugaku 노드-시간 2,518시간만을 사용해 −326.9821 Hartree를 달성했다. 이는 SQD 대비 약 300배 적은 연산 자원이다. 슈퍼컴퓨터 사용 비용이 직접 사업성과 연결되는 산업 환경에서 이 차이는 무시하기 어렵다.
이번 연구는 RIKEN에 구축된 양자-HPC 하이브리드 플랫폼을 활용했으며, 일본 경제산업성 산하 NEDO의 지원을 받은 프로젝트 일환으로 수행됐다.
산업 적용 가능성과 한계
HI-VQE는 선형성이나 국소성을 전제하지 않기 때문에 촉매, 전극 소재, 신약 타겟 분자 등 다양한 산업 계에 동일한 방법론을 적용할 수 있다는 것이 Qunova 측의 설명이다. 화학·제약·소재 기업이 고전 계산법과 동등한 정확도를 양자 기반 워크플로에서 재현 가능하게 얻는 것이 양자 화학 산업화의 전제 조건이라는 점에서, 이번 결과는 의미 있는 이정표다.
다만 Qunova는 아직 더 개선할 여지가 있음을 인정한다. 처리 가능한 고유 상태 수를 5억~30억 개로 늘리면 추가 정확도 향상이 가능하고, 오비탈 회전과 오비탈 최적화 기능을 HI-VQE에 통합하는 작업이 향후 수개월 내 진행될 예정이다. HI-VQE가 다른 방법론을 일관되게 능가하는 분자 계를 체계적으로 식별하는 것도 과제로 남아 있다.
원문 인용
“4Fe-4S has long been a proving ground where only the very best classical methods could compete”
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이 글은 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Qunova’s Hybrid Computing Method Matches Classical Benchmark for Iron-Sulfur Cluster
