[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 김지한 카이스트 생명화학공학과 교수 연구팀이 양자컴퓨터를 활용해 수백만 가지 다성분 다공성 물질(이하 MTV)의 설계 공간을 효율적으로 탐색할 수 있는 새로운 프레임워크를 개발했다.

MTV 다공성 물질은 두 종류 이상의 유기 리간드(링커)와 금속 클러스터와 같은 빌딩 블록 물질 간의 결합을 통해 형성되는 구조로써 에너지 및 환경 분야에서 큰 활용 가능성을 갖고 있다. 다양한 구성 조합을 통해 새로운 구조를 설계하고 합성할 수 있다. 대표적으로는 가스 흡착, 혼합가스 분리, 센서, 촉매 등이 있다.

다만 구성 성분이 다양해질수록 가능한 조합의 수가 기하급수적으로 늘어난다. 고전 컴퓨터를 이용해 모든 구조를 하나하나 확인하는 방식으로는 복잡한 링커 조합의 MTV 구조의 설계 및 물성 예측이 불가능하다. 

연구팀은 복잡한 다공성 구조를 ‘지도 위에 그려진 연결망(그래프)’처럼 표현했다. 

이후 각 연결 지점과 블록 종류를 양자컴퓨터가 다룰 수 있는 큐비트로 바꿔 넣었다. 가장 안정적인 구조를 형성하는 특정 블록의 배치 비율에 대한 문제를 양자컴퓨터에게 풀도록 했다.

양자컴퓨터는 동시에 여러 가지 경우를 계산할 수 있다. 덕분에 기존 컴퓨터가 하나씩 다 계산해야 했던 막대한 경우의 수를 훨씬 적은 자원으로 탐색할 수 있다.

연구팀은 실제 보고된 MTV 구조 4가지를 대상으로 실험을 진행했다. 시뮬레이션 뿐만 아니라 IBM 양자컴퓨터에서도 동일한 결과가 나옴으로써 실작동 가능성을 보여줬다. 

추후 개발한 방법론을 머신러닝과 결합해 단순한 구조 설계뿐 아니라 합성 가능성, 가스 흡착 성능, 전기화학적 특성까지 한 번에 고려하는 플랫폼으로 확장할 계획이다.

김지한 교수는 “이번 연구는 복잡한 다성분 다공성 소재 설계의 병목을 양자컴퓨팅으로 해결한 첫 사례”라며 “이번 성과는 탄소 포집·분리, 선택적 촉매 반응, 이온전도성 전해질 등 정밀 조성이 핵심인 분야에서 맞춤형 소재 설계 기술로 폭넓게 응용될 전망이며, 향후 더 복잡한 시스템에도 유연하게 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.