20큐비트 양자컴퓨팅으로 세계 첫 다공성 물질 설계…"에너지 저장 소재 개발 가능"

KAIST 김지한 교수 "가능성 보여줘…적용 범위 등 플랫폼 확장 계획

국내 연구진이 세계 최초로 양자컴퓨팅을 활용한 다성분 다공성 물질(MTV) 설계에 성공했다. 20 큐비트, 100만~200만 개 조합의 수를 확인한 수준이지만, 확장이 가능하다는 것이 연구진 설명이다.

KAIST는 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 양자컴퓨팅 기술을 활용해 최대 2백만 가지 다성분 다공성 물질(이하 MTV)의 설계 공간을 효율적으로 탐색할 수 있는 새로운 프레임워크를 개발했다고 9일 밝혔다.

김지한 교수는 "향후 큐비트 확장이 가능하다"며 "차세대 촉매·분리막·에너지 저장 소재 개발에 혁신을 가져올 것"으로 기대했다.

세계 최초로 양자컴퓨팅을 이용해 다공성 물질을 설계한 KAIST 연구팀. 왼쪽부터 김지한 교수 강신영 박사과정, 김영훈 박사과정 .(사진=KAIST)

김 교수는 "MTV분야에서의 양자컴퓨팅을 이용한 설계는 세계 처음"이라며 "소재 디자인 틀에서의 양자 활용 가능성을 확인했다는 의미가 있다"고 부연설명했다.

MTV는 두 종류 이상의 유기 리간드(링커)와 금속 클러스터와 같은 빌딩 블록 물질 간의 결합을 통해 형성되는 구조를 말한다. 에너지 및 환경 분야에서 많이 활용된다. 다양한 구성 조합을 통해 새로운 구조를 설계 및 합성이 가능하기 때문에 가스 흡착, 혼합가스 분리, 센서, 촉매 등에 적용하고 있다.

연구팀은 복잡한 다공성 구조를 ‘지도 위에 그려진 연결망(그래프)’처럼 표현한 뒤, 각 연결 지점과 블록 종류를 양자컴퓨터가 다룰 수 있는 큐비트로 바꿔 넣었다. 그리고 ‘어떤 블록을 어느 비율로 배치하면 가장 안정적인 구조가 될까?’라는 문제를 양자컴퓨터에게 풀도록 했다.

양자컴퓨터는 동시에 여러 가지 경우를 겹쳐서 계산할 수 있기 때문에, 마치 수백만 가지 레고 집을 한 번에 펼쳐놓고 그중 가장 튼튼한 집을 빠르게 골라내는 것과 같은 효과를 냈다. 이 덕분에 기존 컴퓨터가 하나씩 다 계산해야 했던 막대한 경우의 수를 훨씬 적은 자원으로 탐색할 수 있다.

연구팀은 이를 위해 양자 알고리즘을 이용한 MTV 다공성 물질 설계 모델과 QC-MTV 해밀토니안 모델(Hamiltonian model for VQE algorithm)을 직접 개발했다. 해밀토니안 모델은 큐비트 조합을 다공성 물질에 맵핑, 최적의 조합을 찾는 비용함수다.

연구팀은 또 실제 보고된 MTV 구조 4가지를 대상으로 실험한 결과, 시뮬레이션 뿐만 아니라 IBM 양자컴퓨터에서도 동일한 결과가 나와 ‘실제로도 잘 작동한다”는 가능성을 확인했다.

양자컴퓨팅을 이용한 다성분 다공성 물질을 설계하는 프레임워크. 유기 링커의 조합·배치를 큐비트로 인코딩하고, 비율·점유·균형 조건을 해밀토니안(비용 함수)에 반영해 기저상태 구성을 도출했다.(그림=KAIST)

김지한 교수는 "향후 머신러닝과 결합해 단순한 구조 설계뿐 아니라 합성 가능성, 가스 흡착 성능, 전기화학적 특성까지 한 번에 고려하는 플랫폼으로 확장할 계획"이라며 "이 연구는 복잡한 다성분 다공성 소재 설계의 병목을 양자컴퓨팅으로 해결한 첫 사례”라고 말했다.

김 교수는 또 “이번 성과는 탄소 포집·분리, 선택적 촉매 반응, 이온전도성 전해질 등 정밀 조성이 핵심인 분야에서 맞춤형 소재 설계 기술로 폭넓게 응용될 전망"이라며 "향후 더 복잡한 시스템에도 유연하게 확장될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

연구는 생명화학공학과 강신영·김영훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 미국 화학회지(ACS Central Science) 8월 22일자 온라인판에 게재됐다.