Classiq·INGL·IonQ, 천연가스 배관망 최적화에 QAOA 적용 실증

연구 배경: 배관망 최적화의 조합론적 복잡성

천연가스 전송망 운영의 핵심은 각 절점(node)의 압력 설정을 조합해 고객 공급량을 최대화하는 것이다. 여기에는 질량 보존, 유동 방향 일관성, 최소 공급압 유지 등 비선형 물리 조건이 동시에 적용된다. 유량 계산에 쓰이는 Panhandle-B 방정식은 비선형이며, 가능한 압력 조합의 수는 결정 절점 수가 늘어날수록 지수적으로 증가한다. 이러한 조합 폭발 문제가 양자 최적화 접근법의 동기가 됐다.

문제 정식화 및 알고리즘 구성

연구팀은 Panhandle-B 지수(αPB = 0.51)를 2차 다항식으로 근사해 문제를 이진 비제약 2차 최적화(QUBO) 형태로 변환했다. Classiq 플랫폼을 통해 QAOA 회로를 합성했으며, 6개 절점과 5개 방향성 에지로 구성된 대표 배관망을 검증 대상으로 삼았다. 시뮬레이터 환경에서는 15개 논리 큐비트(절점당 3큐비트, 8단계 압력 이산화)와 p=30 QAOA 레이어를 적용해 50~60회 COBYLA 반복 내 최대 처리량 해를 복원하는 데 성공했으며, 결과는 고전적 전탐색 및 수압 시뮬레이션과 일치했다.

IonQ Forte-1 하드웨어 실행 결과

실제 양자 프로세서에서의 타당성을 검증하기 위해 문제 규모를 10큐비트(결정 큐비트 6개 + 보조 큐비트 4개)로 축소하고 IonQ Forte-1 QPU에서 실행했다. 게이트 오류를 억제하기 위해 회로 깊이를 p=2로 제한했음에도 하드웨어 출력 상위 두 유효 해는 연속 고전 최적값을 압력 이산화 한 단계 범위 내에서 양쪽으로 포괄했다. 이 결과는 SIMONE 수압 소프트웨어와의 호환성도 확인됐다.

현재 접근 방식의 위상과 한계

이번 연구는 양자 최적화를 기존 공학 도구의 대체재가 아닌 보완재로 자리매김한다. 연구팀은 QAOA 워크플로가 유망한 후보 운영 시나리오를 자동으로 탐색해 SIMONE 같은 검증 도구로 넘겨주는 전역 탐색 엔진 역할을 할 수 있다고 설명한다. 다만 실증에 사용된 배관망은 6절점으로 소규모이며, 실제 대형 인프라로 확장하려면 큐비트 수와 회로 충실도 양측에서 상당한 기술적 진전이 필요하다. 현재 단계에서 QPU 결과는 최적값 근방을 포괄하는 수준에 그치고 있어, 실용화까지의 거리는 여전히 남아 있다.

의미

에너지 인프라 운영 최적화에 QAOA를 적용하고 실 하드웨어에서 물리적으로 유효한 해를 도출한 사례를 arXiv를 통해 공개했다는 점에서, 이번 연구는 근거리 양자 장치의 실용 응용 가능성을 구체적으로 제시한다. 국영 유틸리티가 양자 소프트웨어 기업, 양자 하드웨어 기업과 공동으로 현장 문제를 다룬 협업 구조 역시 주목할 만하다.