양자컴퓨팅 활용한 유체역학 문제 해결 가능성 제시

미국 에너지부 오크리지국립연구소(ORNL) 연구팀이 양자컴퓨팅(Quantum Computing)을 활용해 유체역학의 오랜 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시했다.

연구팀은 헬레 쇼 흐름 문제(Hele-Shaw flow Problem)에 초점을 맞췄다. 이 문제는 두 평행한 판 사이에 액체나 기체가 흐르는 상황을 다룬다. 이 문제는 이상적인 조건을 가정하지만, 실제로는 지하수 흐름, 다공성 매질 흐름, 석유 회수 등 다양한 분야에서 중요한 응용 프로그램을 가진다. 연구팀은 양자컴퓨터에서 실행되는 양자 알고리즘이 기존 컴퓨터보다 더 빠르게 흐름 방정식을 해결할 수 있는지 테스트했다.

연구의 주저자 무랄리 고팔라크리슈난 미나(Murali Gopalakrishnan Meena) ORNL 계산 과학자는 “확장성(scalability)과 정확도는 여기서 핵심적인 문제다. 우리는 오류 억제 및 완화 기법이 도움이 될 수 있다는 것을 보여주었지만, 더 많은 연구가 필요하다.”고 말했다.

이 연구는 최근 Physics of Fluids 저널에 발표됐다. 양자컴퓨팅이 마이크로유체학, 석유 화학, 생명공학 등 다양한 분야에서 과학적 발견을 촉진할 수 있는 가능성을 확인한 연구 중 하나다.

연구팀은 양자컴퓨터를 이용해 유체역학 방정식을 기존 컴퓨터보다 더 빠르고 정확하게 해결할 수 있는지 확인하는 데 주력했다.

유체 흐름 문제( fluid flow problems)는 산업 설계에서 매우 중요한 요소로, 기체역학부터 석유 정제까지 다양한 분야에 영향을 미친다. 공기, 기체 또는 액체가 기계 부품 위를 흐를 때 발생할 수 있는 난류(turbulence)는 성능을 저하시킬 수 있다. 기존에는 물리적 실험과 근사화된 방정식을 결합한 방법을 사용하지만, 이들 방법은 모든 물리학적 요소를 반영하지 못할 수 있다. 또한 물리적 실험은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리며, 디지털 시뮬레이션은 막대한 계산 자원을 요구한다.

고팔라크리슈난 미나는 “이론적으로 이 문제에 양자 우위가 존재할 수 있다. 하지만 이 연구의 목적은 단순히 양자 우위를 입증하는 것이 아니었다. 우리는 양자 알고리즘이 유체 흐름 시뮬레이션에서 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 기준을 설정하는 것이 목적이었다.”라고 설명했다.

양자컴퓨팅은 기존의 컴퓨터보다 더 빠르고 효율적으로 복잡한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시한다. 전통적인 이진 비트와 달리 양자 비트(qubit)는 동시에 여러 상태를 가질 수 있어, 더 많은 값을 동시에 처리할 수 있다. 이러한 특성은 유체 흐름과 같은 복잡한 문제를 해결하는 데 이론적인 이점을 제공할 수 있다.

하지만 양자컴퓨팅은 아직 실제 문제에 적용하는 데 어려움이 있다. 연구팀은 IBM 양자 프로세서를 사용하여 양자컴퓨터 사용 프로그램(QCUP)을 통해 계산 시간을 확보하고, Harrow-Hassidim-Lloyd(HHL) 알고리즘을 사용해 선형 방정식 세트를 해결했다.

양자컴퓨팅의 주요 문제 중 하나는 오류(noise)다. 측정 오류 및 큐비트 손상 등으로 인한 불안정성이다. 연구팀은 HHL 알고리즘이 얼마나 잘 작동하는지는 방정식 시스템의 작은 수치적 오류에 얼마나 민감한지에 달려 있다고 밝혔다. 시스템의 민감도가 문제 크기에 따라 지수적으로 증가하기 때문에, 작은 오류라도 전체 솔루션을 무효화할 수 있다.

고팔라크리슈난 미나는 “방정식의 민감도는 문제 크기가 커짐에 따라 기하급수적으로 증가한다. 작은 수치적 오류라도 전체 솔루션을 실패하게 만들 수 있다.”라고 말했다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 오류 모델과 오류 완화 알고리즘을 적용했지만, 일부 경우에만 효과가 있었다. 그들은 양자 회로 단순화와 연산 수 축소가 정확도를 높이는 데 도움이 되었음을 발견했다.

고팔라크리슈난 미나는 “양자 알고리즘의 확장성과 문제 적합성은 향후 연구에서 중요한 요소가 될 것”이라며 “최근 HHL 알고리즘에 대한 다양한 개선이 이루어졌으며, 이를 통해 유체 흐름 문제를 해결하려고 현재도 연구 중”이라고 말했다.

양자 알고리즘을 유체역학 문제 해결에 효과적으로 적용하고 양자 속도 향상을 활용할 수 있다면, 이 알고리즘은 연소, 핵융합, 항공우주 공학 등 다양한 분야에서 중요한 응용 가능성을 가질 수 있다.