“양자와 고전의 동거…수소 촉매서 양자컴퓨팅 실험적 증명”

구동중인 양자시뮬레이터.(사진=한국과학기술연구원)

[이데일리 강민구 기자] “양자컴퓨팅이 과연 유용할까.”

국내 연구진이 이 질문에서 출발해, 양자컴퓨팅과 고전컴퓨팅의 장점을 결합한 연구를 진행한 끝에 소재 분야에서 양자 기술의 실질적 쓰임새를 입증하고 있다. 해당 프로젝트는 과학기술정보통신부의 ‘혁신도전 프로젝트’ 일환으로 추진 중이다.

글로벌 IT 공룡인 구글, IBM, 아마존, 마이크로소프트 등이 양자컴퓨팅 선점 경쟁에 뛰어들었지만, 여전히 높은 오류율과 제한된 큐비트 수라는 기술적 한계가 존재한다. 이에 엔비디아, 후지쯔 등 기존 HPC(고성능 컴퓨팅) 강자들은 자사 기술력을 토대로 양자와 고전 컴퓨팅을 접목하는 하이브리드형 접근을 확대하고 있다.

국내 연구진 역시 이 같은 방향성과 보폭을 맞추며, 중간형 연구의 실용화 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다는 평가다.

KIST, 양자·고전 결합한 ‘다층 양자 임베딩 기술’ 개발…수소 촉매 실험 검증 성공

24일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면, 소재혁신 양자시뮬레이터 사업단이 양자컴퓨팅과 고전컴퓨팅을 결합한 새로운 첨단 소재 개발 방법론인 ‘다층 양자 임베딩 기술’을 개발하고 이를 수소 생산 대체 촉매 개발에 적용해 실험적으로 검증하는 데 성공했다.

이번 연구에는 KIST를 비롯해 한국표준과학연구원, 금오공대, 전남대 등 20개 기관에서 총 284명의 연구진이 참여해 융합 연구를 수행했다.

이진형 사업단장은 “IBM 등 해외 기업이 양자컴퓨팅을 선보이고 있지만, 양자 오류 등으로 상용화는 쉽지 않다”며 “국내 대규모 융합 연구를 통해 양자-고전 하이브리드 컴퓨팅 분야에서 독자적 기술을 확보하고 실질적 활용 가능성을 보여줬다”고 말했다.

양자 임베딩 기술은 핵심 계산은 양자컴퓨팅으로 높은 정확도를 확보하고, 나머지는 고전컴퓨팅으로 처리하는 방식이다. 슈퍼컴퓨터로 계산하기 어려운 소재 특성 예측을 양자시뮬레이터와 고전컴퓨터가 양방향으로 통신하며 해결하는 구조다. 고전 알고리즘이 순차적 계산을 하는 반면, 양자 알고리즘은 모든 결과를 동시에 고려해 빠른 해답을 찾을 수 있다는 강점이 있다.

연구진은 이 시스템을 활용해 수소 생산 촉매 후보 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)의 반응 에너지를 화학적 정확도에 근접한 수준으로 계산하는 데 성공했다. 기존 고전컴퓨터 기반 계산은 정확도가 낮아 실험 결과를 충분히 설명하지 못했으나, 연구진은 자체 개발한 광집적 회로 기반 양자시뮬레이터를 적용해 이 한계를 극복했다.

특히 연구팀은 양자 계산을 단순 부분계 모델링에 의존하지 않고, 대상 부분계를 더 정밀하게 표현할 수 있는 ‘다층 구조’로 구성했다. 중요한 부분에는 양자시뮬레이터를, 비중이 낮은 부분은 고전컴퓨터를 활용해 정확도를 크게 향상시켰다.

오상록 KIST 원장은 “양자 연구가 불가능해 보이는 단계에서 점차 가시적 단계로 들어오고 있다”며 “이번 프로젝트는 국내외 연구진을 연결하는 집단지성 플랫폼을 구축해, 도전적 연구의 가능성을 보여준 의미 있는 성과”라고 강조했다.