18만평 크기의 대학 캠퍼스 한가운데 있는 지하 통로를 따라 내려가자 서늘한 공기와 어둠이 펼쳐졌다. ‘절대 영도(-273.15℃)’가 유지되는 여러 겹의 유리 벽 안에 성인 남성 키보다 훨씬 큰 양자컴퓨터가 기계음을 내며 작동 중이었다. 국내 최초로 도입된 양자컴퓨터 ‘IBM 퀀텀 시스템 원’이다. 지난해 9월 한국은 IBM 양자컴퓨터를 보유한 다섯 번째 국가가 됐다.

연세대는 지난달 27일 인천 연수구 송도동 국제캠퍼스에서 ‘IBM 퀀텀 시스템 원’을 국내 언론에 상세 공개했다. 연세대에 설치된 IBM 양자컴퓨터는 현존하는 어떤 슈퍼컴퓨터보다도 빠른 연산 속도를 자랑한다. 현재 지구상에서 가장 빠른 컴퓨터는 미국 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립연구소에 있는 ‘엘 캐피탄’으로, 초당 174.2경(京·10의 16제곱)번 정도의 연산 능력을 갖췄다. 반면 IBM 양자컴퓨터는 약 170간(澗·10의 36제곱)번 연산을 동시에 수행한다. 엘 캐피탄보다 1해(垓·10의 20제곱)배 빠른 계산이 가능하다는 의미다. 지구상에 존재하는 모든 슈퍼컴퓨터의 성능을 다 합쳐도 IBM 양자컴퓨터에 못 미친다.

연세대에서 양자컴퓨터를 도입함으로써 기대하는 가장 큰 발전 분야는 다름 아닌 의학이다. IBM 퀀텀 시스템 원 도입의 총책임자인 정재호 양자사업단장은 20년 넘게 의학을 연구해 온 외과 의사다.

난치병을 고칠 신약을 개발하기 위해서는 특정 단백질을 타깃으로 설정한 다음 구조를 변경하는 작업을 거쳐야 한다. 연구가 완료되면 제약 공장에서 해당 단백질을 바탕으로 약제를 만들고, 실험실에서 생물학적 검증을 수반한다. 문제는 설계·합성 검증이라고 불리는 이 과정을 수백만번 반복해도 신약 개발에 성공할 확률이 극히 낮다는 점이다.

하지만 양자컴퓨터가 상용화되면 이 과정이 획기적으로 단축된다. 정 단장은 “신약 개발은 30억개 정도 되는 레고 블록 중에서 어떤 것이 특정 단백질에 가장 잘 들어맞는지 찾아내는 게임”이라며 “수십억개의 레고 조각을 한 번에 맞춰볼 수 있는 게 바로 양자컴퓨터다. 최적화 과정을 통해 굉장히 빠른 속도로 단백질 구조를 분석할 수 있다”고 설명했다. 그는 “현재 127큐비트 수준인 양자컴퓨터가 1만 큐비트로 발전하는 날이 오면 암을 정복할 가능성이 열릴 것으로 예상한다”고 말했다.

제2의 코로나바이러스가 창궐해 팬데믹이 재발하더라도 양자컴퓨터가 있으면 훨씬 많은 생명을 살릴 수 있다. 코로나19 같은 글로벌 감염성 질병 대응에는 치료제 개발과 확산 예측이 가장 중요한데, 백신과 치료제 개발 기간을 단축할 수 있는 양자컴퓨터는 전염병 대응에 큰 도움이 된다. 코로나19 백신을 개발한 미국 제약회사 모더나도 이미 구글의 양자컴퓨터를 도입해 운용 중이다. 양자컴퓨터의 강점인 정밀하고 광범위한 시뮬레이션을 활용하면 전 세계 선박·항공 등 이동 시스템을 분석해 바이러스가 어떤 경로로 확산했고 앞으로 어디로 퍼져나갈지에 대한 예측이 가능하다.

연세대가 양자컴퓨터를 도입한 것은 민간 기업으로서 투자하기 어려운 분야에 과감히 뛰어들었다는 점에서 의미가 있다. 양자컴퓨터 연구는 전문가 모두가 입을 모아 그 필요성을 인정하지만, 막대한 설치·유지 비용 탓에 쉽게 도전하기 어렵다. 양자컴퓨터는 핵심 양자프로세서(QPU) 주변 온도를 절대 영도로 맞춰야 하는 등 고도의 인프라와 자금력을 필요로 한다.

또 양자컴퓨터를 들여온다고 해도 이를 활용할 인력이 부족하고, 뚜렷하게 적용할 상품도 마땅치 않다. 기업으로서는 천문학적인 비용을 투자해 당장 수익이 나지 않는 양자컴퓨터를 들여오기 망설여질 수밖에 없다. 학문 연구가 목적인 대학에서조차 같은 이유로 양자컴퓨터 도입을 오랜 기간 고민하기만 했다. 연세대는 이런 상황을 타개하기 위해 우선 자비로 IBM 퀀텀 시스템 원을 도입하고, 이를 학내 연구진은 물론 국내 기업·기관에 개방함으로써 국가 과학 경쟁력을 끌어올릴 계획이다.