양자컴퓨팅으로 복잡한 유체 난류 시뮬레이션 구현

물이나 공기 같은 유체가 매우 복잡하게 움직이는 난류는 변수가 매우 많아 슈퍼컴퓨터로도 정확히 시뮬레이션하는 것이 거의 불가능하다. 게티이미지뱅크 제공

과학자들이 양자컴퓨팅 알고리즘으로 복잡한 자연계 문제인 난류(turbulent flow) 시뮬레이션을 구현하는 데 성공했다. 복잡한 시스템을 확률론적으로 시뮬레이션해 계산 비용을 줄이고 속도를 비약적으로 향상할 수 있는 길을 열었다는 평가다.

니키타 구리아노프 영국 옥스포드대 클라렌돈연구소 연구원팀은 양자컴퓨팅을 활용해 난류 시스템을 확률론적으로 시뮬레이션하는 새로운 접근법을 개발하고 연구결과를 29일(현지시간) 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 공개했다.

물이나 공기 같은 유체가 매우 복잡하게 움직이는 난류의 변화 양상을 예측하는 것은 과학자와 공학자의 오랜 목표 중 하나다. 난류 시스템에서는 다양한 모양과 크기의 소용돌이가 상호작용해 변수가 매우 많다. 조금만 복잡해져도 최신 슈퍼컴퓨터로 정확히 시뮬레이션하는 것이 불가능할 정도다.

연구팀은 난류의 움직임을 역학적으로 직접 시뮬레이션하는 대신 확률적으로 해석해 모델링했다. 양자컴퓨팅 기술인 '텐서 네트워크(TN)'로 난류의 변화를 무작위 확률 분포로 단순하게 표현한 것이다. 양자컴퓨팅은 어떤 물리적 상태가 중첩된 상태인 '양자 중첩' 현상을 활용해 정보를 처리하는 기술로 텐서 네트워크는 양자 시스템을 나타내는 수학적 도구다.

연구팀이 만든 양자 기반 알고리즘은 난류의 복잡한 변동을 모두 계산하지 않고도 공기역학에서의 양력과 항력 등 의미있는 값을 추출할 수 있었다. 응용과학 분야에서는 난류의 양상을 모든 시점에서 정확하게 알아내기보다는 활용하려는 값의 통계적 추세를 파악하는 것이 더 중요하다.

이번에 개발된 알고리즘은 계산에 드는 비용과 시간이 매우 적다는 게 장점이다. 연구팀이 개발한 알고리즘은 단일 정보처리장치(CPU)에서 실행됐다. 슈퍼컴퓨터에서 며칠이 걸리는 기존 계산을 단 몇 시간 만에 계산했다는 설명이다. 이후 양자컴퓨팅 하드웨어 개발이 진전되면 격차를 더 키울 것으로 기대된다.

연구팀은 "이전에 접근하지 못했던 난류 물리학의 새로운 영역을 열었다"며 "복잡한 시스템을 확률론적으로 시뮬레이션해 일기예보, 자동차 공기역학 모델을 개선하고 화학 공정 효율성을 높이는 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1126/sciadv.ads5990

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]