KIST, 양자컴퓨터 실용성 첫 확인…첨단소재 개발에 새 전기

최근 한국과학기술연구원(KIST)이 발표한 연구 성과는 국내 과학기술계는 물론 전 세계 연구자들에게 큰 주목을 받고 있습니다. 바로 양자컴퓨터가 단순한 이론적 가능성을 넘어 실제 첨단소재 개발에 유용할 수 있음을 실증적으로 보여주었기 때문입니다.

그동안 양자컴퓨터는 ‘미래의 혁신 기술’로 불리며 막대한 기대를 받아왔지만, 정작 실질적인 유용성을 입증한 사례는 드물었습니다. 하지만 이번 KIST 연구팀의 성과는 “양자컴퓨터가 현실 세계에서 어디까지 기여할 수 있는가?”라는 질문에 명확한 답변을 제시했다는 점에서 의미가 큽니다.

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다층 양자 임베딩 기술(ML-QEF)의 등장

KIST 연구진은 이번에 다층 양자 임베딩 프레임워크(ML-QEF, Multi-Layered Quantum Embedding Framework)라는 새로운 방식을 개발했습니다. 이는 간단히 말해 양자 시뮬레이터와 고전적 슈퍼컴퓨터를 결합한 하이브리드 계산법입니다.

양자컴퓨터는 분자 수준의 복잡한 상호작용을 처리하는 데 탁월한 능력을 가지고 있습니다. 하지만 현재 기술적 한계로 인해 큐비트 수가 적고 오류율이 높아 단독으로는 대규모 계산에 적용하기 어렵습니다. 이에 KIST 연구팀은 핵심적인 화학반응 부분만 양자 시뮬레이터에 맡기고, 나머지는 고전 컴퓨터로 처리하는 전략을 선택했습니다.

이 접근법은 연산 자원의 효율성을 극대화할 수 있을 뿐 아니라, 양자컴퓨터가 가장 잘할 수 있는 영역에 집중하도록 만들었습니다.

실증 대상: 수소 생산 촉매 개발

연구팀은 ML-QEF 기술을 활용해 백금을 대체할 수 있는 차세대 촉매 소재를 연구했습니다.
특히, 탄소(C) 도핑된 황화몰리브데넘(MoS₂)을 대상으로 수소 분자의 흡착·탈착 반응을 분석했습니다.

📌 왜 MoS₂인가?
백금은 뛰어난 수소 촉매이지만, 가격이 비싸 대규모 활용에 제약이 있습니다. 반면 MoS₂는 저비용 대체재로 주목받고 있으나 성능 향상이 필요합니다.
📌 ML-QEF 적용 결과
KIST 연구팀은 양자 시뮬레이터와 고전 컴퓨터를 결합해 MoS₂의 반응 에너지를 계산했고, 이는 실험적으로 검증 가능한 수준의 화학적 정확도(chemical accuracy)에 도달했습니다.

이는 곧 양자컴퓨터가 실제 소재 연구와 개발 과정에서 실질적으로 기여할 수 있다는 것을 보여준 중요한 사례입니다.

하드웨어 및 시스템 구축

이번 연구는 단순히 알고리즘 개발에 그치지 않았습니다. KIST를 중심으로 KISTI, KRISS, 금오공대, 전남대 등이 협력하여 양자-고전 하이브리드 시스템을 구축했습니다.

광자 기반 양자 시뮬레이터 개발
광원 기술 및 집적 광학계 구축
중성자자 기반 측정 기술 확보
사용자 인터페이스(UI) 개발 → 실시간 계산 결과 확인 가능

이처럼 하드웨어와 소프트웨어를 아우르는 종합적인 연구가 동시에 진행된 것은, 한국이 양자 연구 생태계를 본격적으로 갖추어가고 있음을 보여줍니다.

소재혁신 양자시뮬레이터 사업단

이번 프로젝트는 단일 연구실 수준의 성과가 아닙니다.
총 20개 기관, 284명 연구자가 참여한 ‘소재혁신 양자시뮬레이터 사업단’의 공동 연구 결과입니다.

현재는 소규모 수 큐비트(quantum bit) 수준에서 실험이 진행되고 있지만, 향후 수십 큐비트 규모로 확장될 계획이 마련되어 있습니다. 이는 곧 더 복잡하고 현실적인 물질 연구가 가능해진다는 의미입니다.

연구 성과의 의의

양자컴퓨터의 실용성 첫 확인
- 단순한 이론적 가능성이 아닌, 실제 소재 개발 응용에서 효과를 입증했다는 점에서 의의가 큽니다.
국내 기술 자립과 경쟁력 강화
- 광자 기반 하드웨어, 하이브리드 시스템, UI까지 자체 개발하면서 해외 기술 의존도를 줄이고 있습니다.
다양한 분야로 확장 가능
- 현재는 수소 촉매에 적용되었지만, 향후 배터리 소재, 반도체 신소재, 신약 개발 등 다양한 영역에서 활용될 수 있습니다.

한계와 앞으로의 과제

물론 이번 성과가 곧바로 ‘양자컴퓨터 시대’의 개막을 의미하지는 않습니다. 여전히 해결해야 할 과제는 많습니다.

현재 큐비트 수가 적어 대규모 시뮬레이션에는 한계
오류율(error rate)과 노이즈 문제 극복 필요
모든 소재 분야에서 보편적 해법이 되기 위해선 추가 검증 필요

즉, 이번 연구는 “양자컴퓨터가 유용하다”는 사실을 보여준 첫 번째 단계이며, 앞으로는 더 큰 시스템과 더 정밀한 알고리즘으로 발전해 나가야 합니다.

앞으로의 전망

양자컴퓨터가 첨단소재 개발, 에너지 전환, 신약 설계 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것이라는 기대는 이미 오래전부터 제기되어 왔습니다. 그러나 그 기대가 실질적인 연구 성과로 연결된 경우는 드물었습니다.

이번 KIST의 연구 성과는 바로 그 ‘연결고리’가 되어주었습니다.
양자컴퓨터가 단순히 이론적 가능성에 머무르지 않고, 현실적인 기술 개발 도구로 활용될 수 있음을 보여주었기 때문입니다.

앞으로 한국이 양자 기술 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고, 산업 혁신에 기여할 수 있을지 주목됩니다.

✅ 결론

KIST의 이번 연구 성과는 양자컴퓨터가 실제 소재 연구 및 개발에 적용 가능하다는 사실을 입증한 의미 있는 사건입니다. 아직 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 양자컴퓨터의 실용성 검증이라는 새로운 이정표를 세웠다는 점에서, 향후 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 잠재력이 크다고 할 수 있습니다.

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