'레고 조합 같은' 다성분 다공성 물질 설계, 양자컴퓨팅 접목·해결

국내 연구진이 양자컴퓨팅을 다성분 다공성 물질(Multivariate Porous Materials·이하 MTV) 설계에 접목해 복잡한 MTV 설계도 비교적 쉽게 풀어갈 수 있는 단초를 마련했다.

MTV는 '레고 블록 집합'처럼 분자 수준에서 맞춤형 설계가 가능한 소재로 원하는 구조를 자유롭게 구현할 수 있다. 이를 활용하면 에너지 저장·변환 등 다양한 응용이 가능해져 환경 문제 해결과 차세대 에너지 기술 발전에도 기여할 수 있다.

KAIST는 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 양자컴퓨터를 활용해 수백만 가지 MTV의 설계 공간을 효율적으로 탐색할 수 있는 새로운 프레임워크를 개발했다고 9일 밝혔다.

(왼쪽부터) 김지한 교수, 강신영 박사과정, 김영훈 박사과정. KAIST 제공

MTV 다공성 물질은 두 종류 이상의 유기 리간드(링커)와 금속 클러스터 등 빌딩 블록 물질 간 결합으로 형성되는 구조로 에너지·환경 분야에서 활용될 수 있다. 다양한 구성 조합으로 새로운 구조를 설계 또는 합성하는 것이 가능한 덕분이다.

하지만 구성 성분이 다양해질수록 가능한 조합의 수는 기하급수적으로 늘어난다. 이 때문에 모든 구조를 하나하나 확인해야 하는 기존 방식(고전적 컴퓨터)으로는 복잡한 링커 조합의 MTV 구조 설계와 물성 예측이 불가능했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 복잡한 다공성 구조를 '지도 위에 그려진 연결망(그래프)'처럼 표현한 후 각각의 연결 지점과 블록 종류를 양자컴퓨터가 다룰 수 있는 큐비트로 바꿔 적용했다. 이어 '어떤 블록을 어느 비율로 배치하면 가장 안정적인 구조가 될까?'라는 문제를 양자컴퓨터가 해결할 수 있도록 했다.

문제해결 과정에서 양자컴퓨터는 동시에 여러 가지 경우를 겹쳐 계산했다. 이를 통해 수백만 개의 레고 블록을 일시에 펼쳐놓고, 그중 가장 견고하게 조합할 수 있는 구조를 선택하는 효과를 가져왔다. 이는 기존 컴퓨터가 일일이 계산해야 했던 막대한 '경우의 수'를 획기적으로 줄여 탐색의 효율성을 높이는 결과로 이어졌다.

특히 연구팀은 그간 보고된 MTV 구조 4가지를 대상으로 실험했을 때 시뮬레이션에서는 물론 IBM 양자컴퓨터에서도 동일한 결과를 얻었다. 양자컴퓨터를 MTV 설계에 접목해 복잡한 문제를 해결하는 것이 가능하다는 것을 보여준 사례다.

연구팀은 앞으로 이 방법을 머신러닝과 결합해 단순한 구조 설계 뿐 아니라 합성 가능성, 가스 흡착 성능, 전기화학적 특성까지 한 번에 고려하는 플랫폼으로 확장할 계획이다.

김 교수는 "이번 연구는 복잡한 MTV 설계의 병목을 양자컴퓨팅으로 해결한 세계 첫 사례"라며 "이번 성과는 탄소 포집·분리, 선택적 촉매 반응, 이온전도성 전해질 등 정밀 조성이 핵심인 분야에 맞춤형 소재 설계 기술로 폭넓게 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 이종 소재 지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 생명화학공학과 강신영·김영훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난달 22일 국제 학술지 미국 화학회지(ACS Central Science) 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr