서울시립대학교(총장 원용걸)-가톨릭대학교 서울성모병원-㈜플로우닉스 공동연구팀이 최근 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 '2026년도 양자컴퓨팅 기반 양자이득 도전연구사업' 신규과제에 선정됐다.

양자알고리듬으로 심혈관질환의 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 분석 속도와 정확도를 높이고, 임상현장에서 양자컴퓨팅이 이득을 보이는 조건을 규명하는 것을 목표로 하는 이번 연구에는 서울시립대학교 안도열 명예석좌교수(Singularity Quantum 대표), 서울성모병원 영상의학과 정정임ㆍ백경민ㆍ장수연 교수, 심뇌혈관병원 순환기내과 윤종찬(연구책임자)ㆍ최영ㆍ승재호 교수, ㈜플로우닉스 하호진 대표, 이규한 연구소장이 함께 참여한다.

이번 과제는 ‘양자컴퓨터가 실제로 언제, 어떤 조건에서 고전 컴퓨터보다 우수한 성능을 내는지(양자이득)’를 수치로 검증하는 데 초점을 맞춘다. 현재의 양자컴퓨터는 잡음이 많은 중규모 장치(Noisy Intermediate-Scale Quantum) 단계여서, 오류를 줄이면서도 회로와 측정 횟수를 얼마나 아낄 수 있는지가 관건이기 때문이다.

연구는 2026년부터 2028년까지 2년 6개월 동안, 25억 원의 국책 연구비를 지원받아 진행된다. 초기에는 심장·좌심방·대동맥을 자동으로 구분하는 3차원 딥러닝 영역화 모델 개발부터 시작하여 양자 기반 혈류역학 모델 구축, 4D Flow MRI를 활용해 실제 환자 사례로 결과를 검증하는 방식이다. 최종적으로는 기존 방식인 고전적 CFD 대비 양자 기반 CFD의 정밀도를 95% 이상 확보하는 것을 목표로 하고 있다. 연구는 우선 전체 인구의 2~3%에서 발생하는 가장 흔한 지속성 부정맥인 심방세동을 대상으로 시작해, 이후 다른 심장질환으로 확대해 나갈 예정이다.

심혈관질환은 원인과 증상이 다양한 복합질환으로 사망률과 후유장애 위험이 높지만, 병태생리의 핵심인 혈류역학(Hemodynamics)에 근거한 환자별 맞춤형 진단과 치료는 아직 충분히 이루어지지 못하고 있다. 특히 혈관이 좁아지는 죽상경화나 혈류가 정체되기 쉬운 좌심방과 같은 구조에서는 혈류의 속도와 압력, 혈관벽에 가해지는 마찰력(벽전단응력)이 혈전 형성이나 심장 근육 손상에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 현존하는 CT나 MRI 같은 해부학적 영상만으로는 혈관이 얼마나 좁아졌는지는 확인할 수 있어도, 어떤 속도와 압력으로 흐르는지 알기는 어렵다는 한계가 있었다.

전산유체역학은 이런 해부학적 영상을 토대로 유체의 물리 법칙을 적용해서 혈류의 속도ㆍ압력ㆍ벽전단응력을 계산하는 것이 가능하다. 이를 실제 임상에 적용하려는 시도는 계속되어 왔으나 측정 정확도 향상을 위한 격자 요소 수 증가, 고도의 비선형 문제, 복잡한 경계 조건을 처리해야 하는 경우에는 연산 속도가 지연되어 제한이 있어 왔다.

연구팀은 이 지점에서 양자컴퓨터를 이용하면 정확도가 높은 고밀도 계산을 짧은 시간 내에 처리할 수 있을 것으로 보고 있다. 0과 1을 이용하여 순차 처리하는 고전 컴퓨터와 달리, 여러 상태를 동시에 표현하는 양자컴퓨터의 중첩(superposition) 원리를 이용하면 방대한 경우의 수를 동시에 탐색할 수 있기 때문이다.

이를 위해 연구팀은 네 가지 기법을 결합하여 방대한 양자연산을 효율적으로 활용하면서도 오류를 감소시킬 계획이다. 양자컴퓨터가 후보 해를 제시하면 고전 컴퓨터가 오차를 계산해 다시 양자컴퓨터에 수정을 요청하는 과정을 반복하는 변분양자알고리듬(Variational Quantum Algorithm), 정답이 있을 가능성이 높은 좁은 영역 위주로 탐색해 계산 효율을 높이는 크릴로프 부분공간(Krylov Subspace) 탐색기법, 여러 물리량을 동시에 추정할 수 있게 하는 고전적 섀도우(Classical Shadow) 측정기법, 양자컴퓨터의 잡음 패턴을 수학적으로 모델링하고 계산 결과에서 역산해 제거하는 오류 보정 기술인 비마르코프 양자오류완화(Non-Markovian Quantum Error Mitigation) 기법이 그것이다.

3개 기관은 각각의 전문성을 살리는 방식으로 연구에 기여한다. 주관연구기관인 서울성모병원은 임상데이터 확보와 검증을 총괄해, 컴퓨터단층촬영(CT) 영상과 임상 경과·예후 자료를 확보하고 환자를 전향적으로 추적하며 4D Flow MRI로 최종 결과를 검증한다. 서울시립대학교는 양자알고리듬 개발을 전담해, 네 가지 기법을 결합한 양자적 해법(solver)을 구현하고 양자이득 여부를 수치로 판정하는 성능지표를 산출한다. ㈜플로우닉스는 자체 개발한 4D Flow MRI 기반 혈류 분석 자동화 플랫폼 ‘플로우닉스 스트림라이너(Flonics-Streamliner)’를 통해 양자 CFD의 정확도를 검증한다.

안도열 교수는 “양자알고리듬의 이론적 가능성을 보여주는 데 그치지 않고, 목표 정확도를 유지하면서 회로 자원과 측정 횟수를 얼마나 줄일 수 있는지를 수치로 규명할 것”이라고 연구의 의미를 설명했다. 연구책임자 윤종찬 교수는 “혈류역학(Hemodynamics)에 근거한 환자별 맞춤 진단과 치료가 심혈관질환 극복의 핵심이지만, 아직 임상 현장에서 충분히 구현되지 못하고 있다”며, “주요 병목 단계이면서, 계산 비용이 가장 큰 CFD Solver 단계에 양자알고리듬과 오류완화 기법을 적용해, 실제 임상에서 양자이득이 나타나는 조건을 확인하고자 한다”고 연구의 필요성을 밝혔다. 이규한 소장은 “이번 연구에서 구축되는 검증 체계를 향후 다른 심혈관질환과 다양한 의료 영상 기반 진단 소프트웨어로 확장해 나가겠다”고 포부를 밝혔다.

이번 연구는 향후 심혈관질환을 넘어, 양자컴퓨팅 기반 전산유체역학 기술이 뇌혈관질환 진단과 의공학 기기 설계, 메디컬트윈 기반 정밀의료로 확장되는 첫걸음으로 의미를 가질 것으로 전망된다. 또한 글로벌 시장조사기관 Custom Market Insights이 예측한 세계 심혈관 의료기술 시장은 2032년 한화 약 140조 원 규모(974억 달러)에 달하는 만큼, 산업 경쟁력 확보에도 의미가 있을 것으로 평가된다.

한편 안도열 교수와 정정임 교수, 윤종찬 교수 연구팀은 이번 국가 과제 선정에 앞서, 국제 무대에서도 연구 방향성을 검증받아 왔다. 2025년에는 미국 국립보건원(NIH) 산하 국립전환과학진흥센터가 주관한 양자컴퓨팅 챌린지에 국내에서 유일하게 선정됐으며, 2026년에는 미국 클리블랜드 클리닉과 글로벌 투자사 K5 글로벌이 공동 주관하는 퀀텀 이노베이션 카탈라이저 프로그램에도 한국에서 유일하게 최종 선정되며 국내 양자의료 연구의 국제적 위상을 높였다.

특히 안도열 교수는 7대 수학 난제로 알려진 나비에–스토크스(Navier–Stokes) 방정식 해석을 위한 양자 알고리즘을 개발하고, 본인이 제안한 비마르코프(Non-Markovian) 기반 양자 오류 완화(QEM) 비용함수를 통해 양자컴퓨터 연산 결과의 신뢰도를 향상시키는 이론적 모델을 확립한 바 있다. 이번 연구를 통해 도출되는 양자컴퓨팅 기반 전산유체역학 모델은 심혈관 질환 진단을 위한 CT-FFR 분석, 종양 미세순환 기반 약물 전달 모델링 등 정밀의료 분야는 물론, 양자컴퓨팅의 실질적 활용 가능성을 확대하는 중요한 학문적 성과가 될 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 향후 정밀의료를 비롯해 고속 항공 유체 해석, 열교환기 설계, 기후 예측 등 비선형 유체역학 방정식 해석이 요구되는 다양한 4차 산업혁명 핵심 기술 분야로 확장될 가능성도 크다.

이와 함께, 안도열 교수의 관련 선행 연구는 미국 공군 연구소 산하 공군과학연구실(AFOSR)이 지원하는 ‘극초음속 유동 해석을 위한 양자컴퓨팅 알고리즘 개발’ 과제와 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘NISQ 환경에서 저부하·고효율 양자 오류 경감 기술 개발 및 응용’ 과제(총 32.5억 원 규모)로 수행되었다.

안도열 명예석좌교수는 반도체 레이저와 양자 정보통신 분야의 세계적 연구 성과를 인정받아 2005년 IEEE 펠로우, 2009년 미국물리학회(APS) 펠로우로 선정되었으며, 2016년 일리노이대학교(UIUC) ‘Distinguished Alumni Award’를 수상했다. 현재까지 SCI 논문 250여 편을 발표하고 국제 특허 40여 건을 보유하고 있다.