KAIST, 세계 최초 양자컴퓨팅으로 ‘레고 블록형’ 다공성 물질 설계

김지한 교수팀, 복잡한 MTV 구조 설계 난제 해결… 맞춤형 촉매·분리막·에너지 저장 소재 개발 길 열어

KAIST(총장 이광형) 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 세계 최초로 양자컴퓨팅을 활용한 다성분 다공성 물질(Multivariate Porous Materials, MTV) 설계 기술을 개발했다. 이번 성과는 기존 고전 컴퓨터로는 불가능했던 수백만 가지 조합의 물질 설계를 양자 알고리즘으로 해결한 혁신 사례로, 차세대 촉매·분리막·에너지 저장 소재 개발에 새로운 길을 제시했다.

MTV 다공성 물질은 금속 클러스터와 유기 리간드(링커)라는 빌딩 블록을 조합해 만드는 구조로, 마치 레고 블록처럼 원하는 조합을 통해 맞춤형 설계가 가능하다. 그러나 구성 요소가 다양해질수록 조합 수가 기하급수적으로 늘어나 기존 컴퓨터 방식으로는 물성 예측이 사실상 불가능했다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 MTV 구조를 ‘그래프(지도)’로 변환해 큐비트로 인코딩하고, 비율·점유·균형 조건을 반영한 QC-MTV 해밀토니안 모델을 제안했다. 양자컴퓨터는 동시에 수많은 조합을 계산할 수 있어, 수백만 가지 경우를 한꺼번에 탐색해 가장 안정적인 구조를 도출할 수 있었다.

연구팀은 실제 보고된 MTV 구조 4가지(Cu-THQ-HHTP, Py-MV-DBA-COF, MUF-7, SIOC-COF2)를 대상으로 IBM Qiskit 시뮬레이터와 IBM 양자컴퓨터(ibm_kyiv)에서 실험을 진행했다. 그 결과 양자 알고리즘이 실험 데이터와 일치하는 결과를 산출하며 실제 하드웨어에서도 구현 가능성을 입증했다.

이번 연구는 MTV 설계 과정의 병목을 해소하며, 탄소 포집·선택적 촉매 반응·이온전도성 전해질 등 정밀한 조성이 필요한 응용 분야에서 폭넓게 활용될 전망이다. 연구팀은 앞으로 머신러닝과 결합해 합성 가능성, 가스 흡착 성능, 전기화학적 특성까지 동시에 고려하는 통합 재료 설계 플랫폼으로 확장할 계획이다.

김지한 교수는 “양자컴퓨팅으로 복잡한 다성분 소재 설계의 난제를 세계 최초로 해결했다”며, “향후 더 복잡한 시스템에도 유연하게 적용돼 기능성 소재 개발 속도를 크게 높일 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 강신영·김영훈 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 미국 화학회지(ACS Central Science) 8월 22일자 온라인판에 게재됐다. 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 이종소재지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

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