전기를 더 똑똑하게 만드는 법: 양자컴퓨터가 푸는 전력 최적화 퍼즐

IonQ와 Oak Ridge 국립연구소의 새로운 하이브리드 알고리즘 연구 소개

지금 우리가 쓰는 전기—이건 단순한 스위치의 문제만은 아니다. 도시 전체의 불이 켜지고, 산업용 설비가 멈추지 않도록 하려면, 수많은 발전기들이 시간대별로 적절히 작동해야 한다. 문제는 그 조합이 너무 많다는 것이다. 예를 들어 발전기가 15대만 있어도, 24시간 동안의 가동 조합은 무려 2.3 곱하기 10의 108제곱에 달한다. 이건 슈퍼컴퓨터조차도 감당하기 벅찬 숫자다.

그래서 등장한 것이 바로 양자 컴퓨터다. IonQ와 미국 에너지부 산하 Oak Ridge 국립연구소는 최근 전력 최적화 문제 중 가장 난이도 높은 문제 중 하나인 Unit Commitment 문제(UC 문제)를 해결하기 위해, 새로운 양자-고전 하이브리드 알고리즘을 제안했다.

 

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Unit Commitment 문제란?

쉽게 말하면, "어느 발전기를, 언제, 얼마만큼 돌릴 것인가?"를 결정하는 문제다. 목표는 전력 수요를 모두 충족하면서도, 발전 비용을 최소화하는 것이다. 그런데 문제는 단순히 켜고 끄는 정도가 아니라, 각 발전기의 출력을 실수 단위로 조절해야 한다는 점. 게다가 시간대마다 수요가 바뀌고, 발전기마다 최소·최대 출력 범위도 다르다. 이 모든 조건을 고려하면, 문제는 혼합정수 비선형 최적화 문제가 된다. 계산 복잡도가 기하급수적으로 증가하는 구조다.

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양자컴퓨터의 해결 방식: ‘양자 체’로 후보를 걸러낸다

이 연구의 핵심은 전통적인 계산 방식과 양자컴퓨팅을 잘 섞어 쓴다는 점이다. 연구진은 3단계로 문제를 해결한다.

1. 양자 알고리즘(VQA)으로 전력 수요를 만족시킬 수 있는 ‘가능한’ 발전기 조합들을 빠르게 샘플링한다. 마치 모래사장에서 금 조각이 될 만한 알갱이들만 먼저 걸러내는 ‘체’를 돌리는 것처럼 말이다.

2. 이 중 유망한 조합들(C*)만 뽑아서, 고전적인 최적화 알고리즘(SLSQP)으로 실제로 얼마만큼 출력을 해야 할지 정밀 계산한다.

3. 이렇게 얻은 조합들 중에서 가장 비용이 적게 드는 해답을 최종적으로 선택한다.

이 방식을 사용하면, 원래는 수백만 개의 경우의 수를 봐야 했던 문제를, 128개 후보 정도만 확인하면 충분해진다.

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어떻게 양자회로가 이걸 해낸 걸까?

연구진은 이 문제를 양자컴퓨터가 잘 푸는 QUBO 문제 형태로 바꿨다. 이후, VQA(변분 양자 알고리즘)을 통해 최적의 발전기 조합을 찾는다.

여기서 사용된 양자회로는 ‘버터플라이 앤자츠’라는 구조를 기반으로 하며, IonQ의 양자 하드웨어에 최적화되어 설계됐다. 모든 큐비트가 서로 연결될 수 있는 IonQ의 특징 덕분에, 효율적인 양자회로 구현이 가능했다.

또한 슬랙 변수 없이 제약 조건을 반영하는 독특한 방식으로 QUBO를 구성하여, 양자 자원을 절약하고 잡음에도 강한 설계를 선보였다.

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실험 결과: 양자 알고리즘이 해냈다!

이 하이브리드 알고리즘은 3기, 10기, 26기 발전기 시스템에 각각 적용되었고, 24시간의 시간대에 따라 전력을 배분했다.

• 3기 문제는 완전히 최적 해를 찾아냈고,

• 10기 및 26기 문제에서도 평균 1~3% 정도의 오차율로, 기존 대비 훨씬 높은 정확도를 달성했다.

• 특히 IonQ의 최신 양자컴퓨터 Forte에서도 실제로 이 알고리즘이 실행되었고, 시뮬레이션과 거의 유사한 품질의 결과를 보여주었다.

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왜 중요한가?

이 연구는 단순히 한 전력 문제를 푼 데 그치지 않는다.

1. 양자컴퓨터가 실질적인 산업 문제 해결에 쓸 수 있다는 걸 증명한 사례다.

2. 전력뿐 아니라 물류, 제조, 항공 등 ‘혼합정수 최적화’가 필요한 모든 산업에 응용 가능성이 있다.

3. IonQ의 실질적인 양자응용 능력을 보여주는 대표 사례로, 기술력의 우위를 증명하고 있다.

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다음은?

연구진은 향후 이 구조를 기반으로 더 복잡한 문제, 더 큰 규모의 발전소, 보다 적은 자원으로 더 정확한 해답을 낼 수 있도록 다양한 개선방향을 검토하고 있다. 특히 varQITE라는 새로운 양자 알고리즘의 도입 가능성도 타진 중이다.

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출처
Willie Aboumrad 외, "A New Hybrid Quantum-Classical Algorithm for Solving the Unit Commitment Problem", IonQ Inc. & Oak Ridge National Lab, 2025

https://arxiv.org/abs/2505.00145