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[이데일리 김승권 기자] 양자컴퓨팅이 신약개발 분야에 혁명적 변화를 가져올 것이라는 기대가 현실화되고 있다. 기존 슈퍼컴퓨터보다 압도적인 연산 속도를 자랑하는 양자컴퓨터는 신약개발 과정의 시간과 비용을 획기적으로 단축할 수 있는 잠재력을 보유하고 있다. 한국과 미국을 중심으로 양자컴퓨팅을 활용한 신약개발 현황과 전망을 살펴본다.

양자컴퓨팅, 신약개발의 게임체인저

신약 하나를 개발하는 데는 평균 17년의 시간과 약 5조 원의 비용이 소요되지만, 성공 확률은 1만 개 후보물질 중 3개에 불과하다. 이러한 비효율성이 신약 가격을 천문학적으로 높이는 원인이 되고 있다. 화이자가 개발한 혈우병 유전자 치료제는 한 바이알에 350만 달러(약 46억 원)에 달하는 가격으로 출시됐다.

연세대 양자컴퓨터 모습 (사진=이데일리 김범준 기자)

양자컴퓨팅은 이러한 신약개발의 패러다임을 완전히 바꿀 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 정재호 연세사이언스파크 추진본부장은 “신약개발은 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 양자컴퓨터”라고 설명했다.

양자컴퓨터는 분자 구조와 상호작용을 원자 수준에서 정확하게 시뮬레이션할 수 있어 신약 후보물질의 효능과 부작용을 더 정확히 예측할 수 있다. 세인트주드 아동연구병원의 크리스토프 고르굴라 박사는 “양자컴퓨팅으로 증강된 기계학습 모델이 유망한 치료 화합물을 식별하는 데 있어 순수한 고전적 컴퓨팅 기계학습 모델보다 우수한 성능을 보였다”고 밝혔다.

한국과 미국의 양자컴퓨팅 격차와 도전과제

한국은 2024년 10월, 연세대학교 국제캠퍼스에 IBM 퀀텀 시스템 원(127큐비트)을 설치하며 양자컴퓨팅 강국으로의 도약을 시작했다. 이로써 한국은 미국, 캐나다, 독일, 일본에 이어 세계에서 다섯 번째로 IBM 양자컴퓨터를 보유한 국가가 됐다.

연세대에 설치된 IBM 양자컴퓨터는 현존하는 어떤 슈퍼컴퓨터보다도 빠른 연산 속도를 자랑한다. 미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 ‘엘 캐피탄’이 초당 174.2경(10의 16제곱)번의 연산을 수행하는 반면, IBM 양자컴퓨터는 약 170간(10의 36제곱)번의 연산을 동시에 수행할 수 있다. 정재호 양자사업단장은 “현재 127큐비트 수준인 양자컴퓨터가 1만 큐비트로 발전하는 날이 오면 암을 정복할 가능성이 열릴 것”이라고 전망했다.

(사진=셔터스톡)

하지만 국내 수준은 세계 무대에서 아직 더디다. 미국은 양자컴퓨팅 기술과 신약개발 분야에서 세계를 선도하고 있다. IBM, 구글, 마이크로소프트 등 빅테크 기업들이 양자컴퓨팅 기술 개발에 막대한 투자를 하고 있으며, 제약회사들과 협력하여 실질적인 성과를 내고 있다.

실제 모더나는 이미 구글의 양자컴퓨터를 도입해 운용 중이며, IBM은 분자 안정성, 결합 친화도, 독성과 같은 특성을 더 효율적으로 계산하여 가장 유망한 약물 후보를 식별하는 작업을 진행하고 있다.

인실리코메디신은 최근 양자컴퓨터를 이용해 캐나다 토론토대 연구팀과 함께 암을 유발하는 것으로 알려진 ‘케이라스(KRAS)’ 단백질을 표적하는 신약 후보물질을 찾아냈다.

미국은 양자컴퓨팅 하드웨어 개발과 소프트웨어 알고리즘 연구, 그리고 실제 산업 적용까지 전 분야에서 앞서 있다. 반면 한국은 이제 막 양자컴퓨팅 인프라를 구축하기 시작한 단계이다. 양자컴퓨팅의 도전과제로는 고도의 인프라와 자금력, 전문 인력 부족, 그리고 실용적 응용 프로그램 개발 등이 있다. 양자컴퓨터는 핵심 양자프로세서(QPU) 주변 온도를 절대 영도(-273.15℃)로 유지해야 하는 등 특수한 환경이 필요하다.

정재호 단장은 “AI 등과 달리 양자 과학기술은 글로벌 경쟁력에서 우리나라가 OECD 국가 중 최하위”라고 지적했다.