[LAB을 찾아서]카이스트, 양자컴퓨터로 차세대 에너지 저장 소재 만든다

양자컴퓨터로 탄소 포집 등 에너지 저장에 사용되는 최적의 신소재를 짚어내는 기술이 개발됐다.

김지한 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구팀. 왼쪽부터 김교수, 강신영 박사과정, 김영훈 박사과정. 한국과학기술원(KAIST)

10일 한국과학기술원(KAIST)은 김지한 생명화학공학과 교수 연구팀이 양자컴퓨터를 활용해 다성분 다공성 물질(MTV)의 구조를 정확하게 설계하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

다공성 물질은 연결 막대 같은 유기 리간드와 금속 클러스터 등 다양한 블록 물질이 결합해 분자 수준에서 맞춤형 설계가 가능한 소재로 원하는 구조를 자유롭게 구현할 수 있다. 다양한 구성 조합을 통해 이산화탄소 등 특정 분자를 가두거나 화학 반응을 일으킬 수 있어 촉매, 가스 흡착, 분리 등 차세대 에너지 저장 소재로 거론되고 있다.

그간 다양한 성분의 다공성 물질을 설계하기는 어려웠다. 구성 성분이 다양해질수록 가능한 구성 조합의 수가 기하급수적으로 늘어나 기존 방식인 고전 컴퓨터로 조합을 단시간에 계산할 수 없어서다.

연구팀은 동시에 여러 가지 경우를 겹쳐서 계산할 수 있는 양자컴퓨터를 통해 이런 문제를 해결했다. 복잡한 다공성 구조를 그래프처럼 표현한 뒤 각 연결 지점과 블록 종류를 양자컴퓨터가 다룰 수 있는 큐비트로 바꾼 뒤 양자컴퓨터가 어떤 분자 블록을 어느 비율로 배치할지 한 번에 수백만 가지 경우의 수를 동시에 계산하도록 설계했다.

이를 통해 특정 목적에 적합한 소재 구조를 기존보다 더 빠르고 정확하게 탐색하는 데 성공했다. 실제로 연구팀은 4가지 다공성 물질을 대상으로 실험해 시뮬레이션 및 IBM 양자컴퓨터에서도 동일한 결과를 구현해내 기술의 신뢰성을 입증하기도 했다.

이 기술은 향후 머신러닝과 결합해 소재의 구조뿐만 아니라 합성 가능성, 성능까지 한 번에 예측하는 플랫폼으로 발전될 전망이다.

이번 연구는 강신영·김영훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 '미국 화학회지(ACS Central Science)' 온라인판에 지난 8월 22일 게재됐다.

김 교수는 "이번 연구는 복잡한 신소재 설계의 병목을 양자컴퓨팅으로 해결한 첫 사례"라며 "탄소 포집·분리, 선택적 촉매 반응, 고성능 이온전도성 전해질 등 정밀한 소재 설계가 핵심인 분야에서 폭넓게 응용될 것"이라고 말했다.

박승욱 기자 ty1615@asiae.co.kr