By PETER CHAPMAN, WIRED UK

원자 단위에서 분자의 상호작용 방식 이해가 약물 발견과 기후변화와의 싸움과 같은 학문 분야, 재료과학 발전의 획기적인 변화를 가져오는 데 필요하다. 이처럼 중요한 발전 속도를 높이기 위해 과학자는 분자의 특성과 상호작용 연구를 위해 소프트웨어에서 분자를 똑같이 모의실험해야 한다. 2022년, 양자 하드웨어와 소프트웨어 발전은 분자 모의실험이 사상 최초로 중요한 여러 분야에서 이루어져 분자 과학의 새로운 시대를 위한 길을 열도록 할 것이다.

양자 컴퓨터는 원자 규모에서 발생하는 중첩과 얽힘이라는 고유한 특성을 최대한 이용하면서 연산 능력을 매우 높은 수준으로 발전시킬 수 있을 것이다. 기존 컴퓨터는 데이터를 1과 0의 배열을 통해 코드로 변환한다. 퀀텀 비트(큐빗)는 1과 0의 형태로 존재하며, 1과 0이 동시에 존재할 수 있어, 복잡한 분자 구조 모델 생성에 필요한 이전보다 놀라울 정도로 뛰어난 연산 능력을 구현한다.

오늘날 양자 시스템은 두 가지 전자로 분자 모의실험을 할 수 있다. 그러나 2022년에는 컴퓨팅 발전과 함께 8가지 전자 모의실험이 가능해져 물과 이산화탄소 등 과학적으로 흥미로운 분자 연구의 길을 열 것이다. 과학자가 배터리 수명 연장, 태양열 패널 효율성 강화, 기후변화 완화 등 발전을 거두는 데 큰 어려움을 겪는 여러 분야의 어려움을 해결하기 위한 중요한 단계이다.

소프트웨어를 이용해 화학 반응 모의실험을 한다면, 현실 세계에서의 실험 진행 필요성이 줄어들어, 결과적으로 과학적 진전 속도를 훨씬 더 높일 수 있다. 예를 들어, 약물 개발 분야에서는 먼저 단백질과의 결합 능력과 같은 바람직한 특성 조합과 함께 분자를 확인해야 한다. 성능이 뛰어난 양자 컴퓨터는 분자 수십억 개를 빠르게 보면서 임상시험에 적합한 분자 후보군을 확인하고는 결과 발견 속도를 높임과 동시에 성공 기회가 증가하도록 한다.
 
물은 세계적으로 가장 익숙한 분자이면서도 광합성과 같이 중요한 화학반응에 직접 개입한다. 다른 여러 가지 분자를 분해할 수 있는 능력을 지녔다는 점에서 물을 보편적인 용해로 볼 수 있으며, 인체 내 목표에 도달할 수 있는 약물의 능력에 직접적인 영향을 미칠 수 있다는 의미이기도 하다. 질적으로 올바른 물의 모델을 생성하려면, 과학자는 적어도 4가지 전자를 모의실험해야 한다. 2022년에는 모두 양자컴퓨터로 가능해질 것이다.

이산화탄소와 에틸렌도 분자 모의실험을 위해 최소 4가지 전자가 필요하며, 물과 마찬가지로 몇 가지 과학적 조사 영역의 핵심이다. 이산화탄소를 깊이 이해한다면, 과학계에서 지구온난화를 완화할 수 있는 중요한 심층 정보를 얻을 수 있다. 반면, 에틸렌 모의실험은 물질 발전에 중요한 폴리머 모의실험을 정확히 진행하기 위한 중요한 단계를 나타낸다.

전자 6개 혹은 8개로 구성된 시스템도 분자 과학계에서 관심을 보이는 분야이다. 예를 들어, 질소 가스 모의실험은 질소를 암모니아로 변환하는 질소 고정을 이해하는 데 도움이 된다. 농업과 안전성과 효과가 더 큰 비료 개발에 매우 중요하다. 질소 분자 구조는 최소 6가지 전자 모의실험이 필요하다. 2022년이면 양자컴퓨터로 가능해질 부분이다.

마지막 예시로 실리콘을 언급할 수 있다. 실리콘은 최소 6가지 전자 모의실험이 필요하다. 실리콘은 반도체 칩 개발의 기본이 되므로 더 나은 구조 생성은 마이크로프로세서의 성능을 더 보완하는 데 도움이 될 것이다. 또한, 태양열 셀 개발의 주요 재료이기도 하며, 모의실험은 청정에너지에 사용할 태양열 패널 효율성 향상의 핵심이 된다. 마찬가지로 2022년이면 양자컴퓨터로 가능해질 것이다.

기존 컴퓨터는 과학적으로 큰 발전을 거둘 수 있도록 했으나 무어의 법칙 속도가 둔화하면서 기존 시스템이 미래의 획기적인 발전에 필요한 복잡한 프로그램 발전을 이끌 수 없음을 의미한다. 양자컴퓨터는 매우 뛰어난 성능을 약속하며, 2022년에는 사상 최초로 중요한 화학적 발전을 지원할 것이다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
A Quantum Leap in Computing is Good for the Climate Crisis