클리블랜드 클리닉, 양자 중심 슈퍼컴퓨팅으로 대형 단백질 시뮬레이션 수행

현재 양자 컴퓨팅(quantum computing)은 내결함성(fault tolerance)과 상업적 실현 가능성을 향한 점진적인 단계에 있습니다. 오류 수정(Error correction) 문제가 해결되어야 하며, 주어진 시스템의 큐비트(qubit) 수가 극적으로 증가해야 하고, 동시에 소프트웨어 생태계와 알고리즘 개발도 활발하게 진행되고 있습니다.

언젠가 양자 우위(quantum advantage)라는 시점이 올 것입니다. 이는 양자 시스템이 가장 강력한 클래식 슈퍼컴퓨터보다 더 빠르고, 정확하며, 저렴하거나 효율적으로 유용한 계산을 수행할 수 있게 되는 때를 의미합니다. 참고로, D-Wave는 작년에 자사의 Advantage 2 어닐링(annealing) 양자 컴퓨터의 작은 버전이 '양자 우위(quantum supremacy)'를 달성했다고 발표했습니다. 이는 클래식 시스템이 풀지 못하는 어떤 문제든—유용한 것이든 아니든—풀 수 있는 양자 시스템을 지칭한다는 점에서 '양자 우위(quantum advantage)'와는 약간 다른 전제입니다. 일부에서는 D-Wave의 주장에 대해 논쟁해 왔습니다.

그럼에도 불구하고, 이러한 이정표에 도달하기 훨씬 이전부터, 양자 시스템은 컴퓨팅 스택(computing stacks)의 새롭게 부상하는 부분으로서 그 유용성을 점점 더 보여주고 있습니다. 이는 하이브리드 양자-클래식 환경(hybrid quantum-classical environments)에서 강력한 GPU 및 CPU 기반 HPC 시스템과 함께 또 다른 선택지로 작동합니다. IBM과 클리블랜드 클리닉은 일본의 RIKEN 연구소와 협력하여, 이러한 '양자 중심 슈퍼컴퓨팅(quantum-centric supercomputing)'이 현재 무엇을 달성할 수 있는지에 대한 또 다른 예를 제시했습니다.

세 기관의 과학자들은 IBM의 156큐비트 Heron r2 프로세서를 클리블랜드 클리닉와 일본 RIKEN 양쪽의 Big Blue 양자 시스템에서 동시에 사용하고, 일본의 두 강력한 클래식 슈퍼컴퓨터—RIKEN의 Fugaku 시스템과 도쿄대학교 및 츠쿠바대학교가 운영하는 Myaybi-G 시스템—와 함께 사용하여, 12,635개의 원자로 구성된 트립신(Trypsin) 단백질을 시뮬레이션했습니다. 이 결과는 양자 하드웨어로 수행된 가장 큰 규모의 분자 시뮬레이션일 뿐만 아니라, 이러한 시스템이 하이브리드 컴퓨팅 스택의 일부로서 어떻게 도움을 줄 수 있는지와 양자 시스템을 더 잘 구현하기 위한 알고리즘 연구의 중요성을 보여주었습니다.

세 기관이 개발한 트립신 시뮬레이션은 또한 가치 분할(value fragmentation)이라는 방법을 보여주었는데, 이는 워크로드(workloads)를 관리 가능한 부분으로 나누어 작업한 다음 최종 결과로 재조립하는 방식입니다.

“저희 접근 방식을 사용하여 이 규모와 크기에서 실제로 시뮬레이션을 수행하는 방법은 양자 중심 슈퍼컴퓨팅이 [중략]에 유용한 도구로 확장되고 있음을 보여줍니다.