경제타임스 김은국 기자 |  QAOA(Quantum Approximate Optimization Algorithm)는 양자컴퓨터로 ‘현실 세계의 최적화 문제’를 풀기 위해 고안된 대표적인 양자 알고리즘이다. 쉽게 말해, 공장 라인 배치·물류 경로·에너지 스케줄링처럼 경우의 수가 폭발적으로 늘어나는 조합 최적화 문제를“완벽한 정답 대신, 짧은 시간에 ‘거의 최적에 가까운 답’을 찾아주는 양자 기반 탐색 엔진”이라고 이해할 수 있다.

■ QAOA의 정체: 양자–고전 하이브리드 ‘최적화 엔진’

QAOA는 이름 그대로 Quantum Approximate Optimization Algorithm, 즉 ‘양자 근사 최적화 알고리즘’이다. 완벽한 해답을 찾는 데 막대한 시간이 드는 문제일수록, “얼마나 빨리, 얼마나 좋은 수준의 해답을 찾느냐”가 산업 현장의 핵심 경쟁력이 된다.

QAOA는 이 지점을 겨냥해 설계된 알고리즘으로, 양자컴퓨터가 탐색·상태 준비를 담당하고 고전(클래식) 컴퓨터가 파라미터를 조정하며 성능을 끌어올리는 방식의 하이브리드 구조를 갖는다. 이 때문에 QAOA는 “양자와 고전 컴퓨팅을 엮어 쓰는, NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum, 노이즈 많은 중규모 양자 시대)의 대표 솔루션”으로 평가된다.

■ 어떻게 작동하나: ‘비용 함수’와 ‘양자 회로 깊이’로 품질을 끌어올린다

QAOA의 기본 원리는 다음과 같이 요약된다.

① 현실 문제를 수학적 ‘비용 함수(Cost Function)’로 표현. 예) 공장 설비 배치를 어떻게 하면 총 이동거리·에너지·대기시간이 최소가 되도록 할 것인가. 이 비용 함수를 양자 시스템 상의 ‘해밀토니언(Hamiltonian)’으로 변환한다.

②양자 상태를 섞고(믹서), 비용을 반영하는 연산을 번갈아 적용. QAOA는 ‘비용 해밀토니언’과 ‘믹서 해밀토니언’을 번갈아 적용하는 양자 회로 구조를 가진다. 적용 횟수(깊이)를 p라 할 때, p를 늘릴수록 더 좋은 해에 근접할 가능성이 커진다.

③고전 컴퓨터가 파라미터를 조절하며 점점 더 나은 해로 수렴. 양자컴퓨터가 여러 번 측정해 나온 결과를 바탕으로 고전 알고리즘이 “이 파라미터 조합이 비용을 더 줄였다/늘렸다”를 계산하고 다시 양자 회로의 파라미터를 조정하는 식으로 반복 최적화가 이뤄진다.

이 과정을 통해 QAOA는 “비용 함수 값을 최소화하는 비트열, 즉 현실 세계에서 가장 효율적인 조합에 해당하는 해”를 빠르게 찾아간다.

■ 왜 제조·물류·로봇 최적화에 주목받나

QAOA가 산업계에서 주목받는 이유는 오늘날 제조·물류·로봇·에너지 분야의 핵심 과제가 대부분 “조합 최적화 문제”이기 때문이다.

예를 들면 다음과 같다. 한 공장에서 설비·라인 배치를 어떻게 바꾸면 → 전체 생산 시간을 최소화하면서 → 에너지 사용량과 설비 간 충돌·대기 시간을 동시에 줄일 수 있을까? 수백 대의 자율주행 로봇(AMR/AGV)이 움직이는 물류창고에서 → 충돌 없이 → 최소 동선으로 → 전체 작업 시간을 줄이는 경로를 어떻게 설계할까?

이런 문제는 경우의 수가 기하급수적으로 늘어나 고전 컴퓨터로는 “답을 찾는 것보다 포기하는 게 빠른 수준”이 되는 경우가 많다.

QAOA는 이 지점을 파고든다. 완벽한 해답 대신 “매우 우수한 근사 해답”를 훨씬 빠르게 제시함으로써 실제 공장·물류 현장에서 바로 적용 가능한 수준의 최적화 솔루션을 제공할 수 있다.

■ QAOA의 산업적 의미 ‘양자컴퓨터 실전 도입의 1번 타자’

QAOA는 현재 양자컴퓨터의 물리적 한계(큐비트 수, 노이즈, 에러율 등)를 감안할 때, “현실적인 시간 안에 산업 문제에 투입 가능한 양자 알고리즘”이라는 점에서 의미가 크다. 완벽한 양자 우위(Quantum Supremacy)를 전제하지 않고도, 기존 고전 알고리즘과 섞어 쓰며 제조·물류·에너지·금융·네트워크 설계 등 광범위한 조합 최적화 문제에 즉시 적용할 수 있기 때문이다.

특히 온프레미스 양자컴퓨터 + QAOA + Physical AI + 디지털트윈이 결합될 경우, △공정 설계 △로봇 동선 △에너지 사용 △설비 유지보수 스케줄 등을 통합적으로 최적화하는 ‘양자–AI 제조혁신 플랫폼’이 현실화된다는 점에서 글로벌 제조 강국과 빅테크가 동시에 주목하는 기술로 꼽힌다.

QAOA는 “양자컴퓨터로 현실 공장과 물류창고, 로봇이 움직이는 방식을 통째로 다시 설계하는” 핵심 최적화 엔진이다. 완벽한 이론적 해답보다, 산업 현장에서 당장 쓸 수 있는 “빠르고 똑똑한 근사 해법”를 제공한다는 점에서 양자–AI 융합 시대의 선봉장 역할을 맡고 있다.