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.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.