양자컴퓨터, 핵융합 연료 난제 푼다…IBM·ORNL 공동연구 맞손

핵융합 발전의 최대 걸림돌 가운데 하나로 꼽히는 핵심 연료 '삼중수소(트리튬)' 부족 문제 해결을 위한 양자컴퓨터 기반 연구가 본격화됐다.

7일 미국 오크리지국립연구소(ORNL), 클리블랜드 클리닉, IBM 퀀텀 공동 연구진은 삼중수소 생산·회수 난제를 다룬 연구 결과를 아카이브(arXiv)에 공개했다.

이번 연구는 기존 슈퍼컴퓨터와 양자컴퓨터를 결합한 하이브리드 계산 방식으로 핵융합로용 용융염 내부에서 삼중수소가 어떤 형태로 결합하고 반응하는지 분석하는 데 초점을 맞췄다.

IBM과 오크리지연구소가 제시한 원자로 내 삼중수소 자체 생산 워크로드(이미지=아카이브)

삼중수소는 양성자 1개와 중성자 2개로 이뤄진 희귀 수소 동위원소다. 현재 전 세계 비축량은 약 25kg 수준에 불과한 것으로 알려져 있다. 반면 1기가와트(GW)급 상용 핵융합 원자로 1기를 하루 가동하는 데만 약 0.5kg이 필요해 연료를 원자로 내부에서 자체 생산·회수하지 못하면 핵융합 발전소의 안정적 운영도 쉽지 않다.

연구진은 해법으로 특수 용융염 '플리베(FLiBe)'에 주목했다. 플리베는 불화리튬(LiF)과 불화베릴륨(BeF₂)을 혼합한 물질이다. 핵융합 반응에서 방출된 중성자가 플리베에 포함된 리튬-6와 반응해 헬륨과 삼중수소를 만들어낼 수 있다. 여기에 베릴륨은 중성자 증폭 역할을 해 연료 생산 효율을 높인다.

이 물질은 고온에서도 액체 상태를 유지해 열을 빼내고 장비를 보호하는 역할까지 수행할 수 있어 차세대 핵융합로 설계의 유력 후보로 평가된다. 다만 실제로는 고온의 용융염 내부에서 삼중수소가 어떤 화학적 상태로 존재하고 불소 등 주변 원자와 얼마나 강하게 결합하는지를 정밀하게 예측해야 한다.

이 과정이 어려운 이유는 용융염 계가 강한 이온성 상호작용과 분극 효과를 동반해 기존 고전 계산만으로는 높은 정확도를 확보하기 쉽지 않기 때문이다.

이에 연구진은 기존 슈퍼컴퓨터와 양자처리장치(QPU)를 결합한 '양자 중심 슈퍼컴퓨팅(quantum-centric supercomputing)' 접근법을 적용했다. 복잡한 용융염 분자 구조를 원자 중심의 작은 조각(fragment)으로 나눈 뒤, 비교적 계산이 쉬운 부분은 고전 컴퓨터가 맡고 계산 난도가 높은 조각은 IBM 양자 하드웨어에서 처리하는 방식이다.

이 과정에는 클리블랜드 클리닉이 대형 단백질 전자 구조 분석에 활용했던 '임베디드 파동함수(EWF)' 기법이 도입됐다. 연구진은 대표적인 플리베 클러스터를 추출한 뒤 이를 조각 단위로 분할해 계산했고 특히 편극 효과가 큰 대형 불소 이온 조각은 IBM의 헤론r3 기반 프로세서에서 처리했다.

더불어 하드웨어 노이즈 영향을 줄이기 위한 '확장 샘플 기반 양자 대각화(ext-SQD)' 알고리즘을 적용해 계산 정밀도를 높였다.

연구진은 총 9개의 분자 클러스터를 대상으로 벤치마크를 수행한 결과, 양자-고전 하이브리드 워크플로가 조각 단위 바닥상태 에너지를 기준 계산값에 가깝게 재현했다고 설명했다.

논문에 따르면 계산 결과는 완전구성상호작용(FCI) 기준 최대 0.7몰당 킬로칼로리(kcal/mol) 이내 평균절대오차 0.3kcal/mol 수준의 정확도를 보였다. 이는 양자컴퓨터가 계산화학과 에너지 소재 분석에서 보조 계산 자원으로 활용될 가능성을 보여주는 결과로 해석된다.

다만 이번 연구가 곧바로 핵융합 상용화의 돌파구를 의미하는 것은 아니다. 논문은 조각 자체를 푸는 정확도는 높았지만, 시스템을 어떤 방식으로 분할하느냐에 따라 전체 구조 에너지와 삼중수소 결합 에너지 차이가 벌어질 수 있다고 지적했다.

실제로 분할 모델과 비분할 모델 사이의 구조 에너지 차이는 평균 12kcal/mol, 삼중수소 결합 에너지 차이는 평균 110kcal/mol 수준으로 나타났다. 이는 현재 병목이 단순히 양자 하드웨어 성능만의 문제가 아니라 복잡한 화학계를 얼마나 정교하게 계산 가능한 형태로 재구성하느냐에도 달려 있다는 설명이다.