KIST "양자컴퓨터 유용성 확인"...첨단소재 개발, 실증 성공

시뮬레이터(전문 컴퓨터)와 고전 컴퓨터를 접목한 양자 하이브리드 컴퓨팅을 첨단 소재 개발에 적용하는 '다층 양자 임베딩 기술(ML-QEF)'이 처음 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 지난 18일 한상욱 책임연구원(한국양자정보학회장) 사회로 KIST-한국과학기자협회 공동 연구 세미나를 개최하고, 이 같은 소재혁신 양자시뮬레이터 사업단(단장 이진형) 연구 성과 및 수소 생산 대체 촉매 개발 및 시연, 실증 결과를 공개했다.

현재 양자컴퓨팅 기술은 구글, IBM, 아마존, 마이크로소프트 등 글로벌 IT 기업들의 기술 선점을 둘러싼 경쟁이 치열하다. JP 모건, HSBC, 베링거 잉겔하임, 벤츠 등은 금융, 신약, 신소재 개발 분야 혁신을 위해 양자컴퓨팅 활용 연구에 적극 나섰다.

이진형 KIST 양자시뮬레이터 사업단장이 지난 18일 세미나에서 지역간 고전컴퓨터와 양자 에뮬레이터 연계에 대해 설명했다.

그러나 양자컴퓨팅 기술은 오류율과 큐비트 개수 측면에서 실용화에 한계가 있다. 양자-고전 하이브리드 방식에서 돌파구를 찾는 이유다. 엔비디아, 후지쯔 같은 기존 HPC(고성능컴퓨팅) 강자들도 양자컴퓨팅과의 융합에 박차를 가하고 있다.

이진형 단장은 "그런 측면에서 우리 기술로 양자 컴퓨터의 유용성을 확인할 필요가 있었다"며 "실험 실증을 통해 정확성을 비롯한 가능성을 확인했다"고 설명했다.

국내에서는 양자컴퓨팅 연구가 원천기술 중심으로 활발히 진행되고 있으며, 대규모 양자-고전 하이브리드 연구는 이진형 단장이 이끄는 이 사업단이 유일하다.

사업단 규모만 20개 기관, 284명의 연구원이 참여 중이다.

이 단장은 연구성과 설명에서 "특정 양자 계산에 최적화된 양자 시뮬레이터를 개발하고, 이를 첨단 소재 산업 분야에 적용하는 방법론을 세계 최초로 정립했다"고 말했다.

연구단은 우선 KIST를 주축으로 한국과학기술정보연구원(KISTI), 한국표준과학연구원(KRISS), 금오공대, 전남대를 연결한 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅 시스템을 구축했다.

연구 성과는 크게 2개로 ▲소재-분자 반응 계산에 양자 컴퓨터를 활용하는 새로운 방법론 제시와 ▲양자시뮬레이터 하드웨어 구현 기술 개발이다.

새로운 방법론 제시에서는 세계 최초로 'ML-QEF'을 제안했다. 양자 임베딩 이론을 바탕으로 핵심 부분계는 높은 정확도와 빠른 연산이 가능한 양자 시뮬레이터를 이용했다. 대신 나머지는 속도가 다소 낮은 고전 컴퓨터로 계산했다.

연구단은 이를 기반으로 'ML-QEF'을 제안하고, 실험실 수준에서 검증도 완료했다. 양자 계산이 하나의 모델링에 기반한 부분계 계산이 아닌, 대상 부분계를 더 정확하게 표현할 수 있는 다층 형태로 구성, 계산하는데 성공했다.

연구단은 이 방법론을 백금대체 촉매 후보 물질 가운데 하나인 탄소로 도핑된 황화몰리브데넘(MoS2)에 적용, 수소분자의 탈착 및 흡착 상태의 에너지 차이에 대한 계산을 수행하고 결과를 검증했다.

수소생산 촉매 계산을 수행할 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅 시스템도 개발했다. 또 실시간 계산 결과를 확인할 유저 인터페이스인 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅 GUI(그래픽 유저 인터페이스)도 개발했다.

연구성과의 또다른 축인 양자시뮬레이터 하드웨어 구현 기술 개발에서는 ▲광자기반 시뮬레이터(이산변수가 가능하고 상온, 상압에서 동작)와 광자 양자시뮬레이터 자원 효율화 기술 ▲집적광학계 기반 고효율 양자광원 기술 ▲집적광학계 기반 양자시뮬레이터 구현 기술 ▲중성원자 양자시뮬레이터 격자 중성원자 측정 기술 등을 개발했다.

또 대칭성에 따른 비평형 보편성 분류 실험도 지난해 진행했다.

연구성과 공개 자리에서는 KIST-금오공대-전남대-KISTI가 연계된 다자간 원격 양자 시뮬레이터 실시간 시연이 이루어졌다.

이 진형 단장은 "이를 통해 수소 생산 촉매 후보 물질인 MoS2의 반응 에너지를 화학적 정확도에 근접한 수준으로 계산하는 데 성공했다"며 "기존 고전 컴퓨터를 이용한 MoS2 반응 에너지 계산은 정확도가 낮아 실제 실험 결과를 정확하게 설명하지 못한다는 문제점이 있었다"고 부연 설명했다.

이 단장은 또 "연구진이 자체 개발한 광집적 회로기반 양자 시뮬레이터를 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅에 적용, 기술 자립도 수준을 높였다"고 덧붙였다.

KIST 오상록 원장은 "실제 소재 개발애서는 소재 특성을 예측하고 설계하는 일이 가장 어렵다"며 "향후 이 기술을 다양한 소재 개발 등에 적용할 수 있기 때문에 산업적 퍼급력이 클 것"으로 기대했다.

소재혁신 양자시뮬레이터 사업단은 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅 시스템 구축과 첨단 소재 개발 적용 연구는 기술 자체의 고난이도뿐 아니라, 수소 소재 실험, 계산과학, 양자 알고리즘, 양자 실험 등 매우 다양한 분야의 교수급 PI 50명이 참여해 상호 이해를 바탕으로 시너지를 창출한 복합 연구를 수행 중이다.