Cleveland Clinic·RIKEN·IBM, 1만 2,635원자 단백질 시뮬레이션으로 고든 벨상 최종 후보

연구 배경과 수상 의미

ACM 고든 벨상은 고성능 컴퓨팅 분야에서 가장 권위 있는 상 중 하나로 꼽힌다. 이번에 최종 후보로 오른 연구는 신약 개발 과정에서 필수적인 두 가지 계산 과제, 즉 생물학적 과정에서의 원자 운동 모델링과 에너지 정밀 계산을 양자컴퓨터를 활용해 해결하려는 시도에서 출발했다. 특히 에너지 계산은 양자역학 원리로 작동하는 양자컴퓨터에 적합한 영역으로 판단됐다.

시스템 구성: 양자-고전 혼합 아키텍처

연구팀은 미국 클리블랜드 클리닉과 일본 RIKEN에 각각 설치된 IBM Quantum Heron 프로세서를 핵심 계산 노드로 활용했다. 전자 구조 계산에는 최대 94큐비트가 동원됐으며, 특정 문제 구간에서 약 6,000회에 달하는 양자 연산이 수행됐다. 분산된 양자 계산 결과는 RIKEN의 Fugaku, 도쿄대·쓰쿠바대가 운영하는 Miyabi-G 슈퍼컴퓨터가 통합해 분자 전체 표현을 완성했다. 이 방식은 양자-중심 슈퍼컴퓨팅(quantum-centric supercomputing)이라는 프레임워크로 정의된다.

성능 도약: 규모 40배, 정확도 210배

연구팀은 2026년 5월 최초 발표 당시 양자컴퓨터로 단백질 303개 원자 시뮬레이션을 처음으로 구현했다고 보고했다. IBM과 RIKEN이 공동 개발해 학술지 Science Advances 표지 논문으로 게재된 표본 기반 양자 대각화(sample-based quantum diagonalization) 기법과, 클리블랜드 클리닉이 해당 문제에 맞게 조정한 내재 파동함수(embedded wavefunction) 방법론이 결합된 결과였다. 이후 1년이 채 되지 않아 원자 규모를 약 40배 확장하고 정확도를 210배 개선했으며, 2026년 9월 업데이트된 결과에서는 결합 에너지 계산 정확도를 한층 더 끌어올렸다. 결합 에너지는 분자들이 얼마나 단단히 결합하는지를 나타내며, 의약 분자가 단백질 표적과 어떻게 상호작용할지 예측하는 핵심 지표다.

워크플로우 자동화와 ROQUO 검증

최신 결과에서 연구팀은 RIKEN의 신규 GPU 슈퍼컴퓨터 ROQUO(JHPC-quantum GPU supercomputer)에서도 동일한 워크플로우를 검증했다. CPU·GPU·QPU를 통합 편성함으로써 복잡한 수동 데이터 이전 작업과 이에 따른 오류를 제거했다는 점이 주목된다. 이는 연구 접근성과 재현성을 높이는 방향으로의 진전을 의미한다.

가능성과 한계

이번 연구는 신약 후보 물질이 단백질 표적과 결합하는 방식을 컴퓨터로 예측하는 경로를 제시하는 데 의의가 있다. 그러나 현재 단계는 실제 신약 개발 파이프라인에 직접 적용되기보다는 계산 화학의 양자-고전 혼합 방법론적 가능성을 검증하는 수준이다. 연구팀이 보고한 정확도 향상이 실험값과 얼마나 일치하는지에 대한 독립 검증, 그리고 더 큰 생물학적 계에서의 확장 가능성은 향후 과제로 남아 있다. 이 연구는 일본 경제산업성 산하 NEDO의 '양자-슈퍼컴퓨터 하이브리드 플랫폼 연구개발' 사업의 지원을 받았다.