양자컴퓨터로 핵융합 연료 소재 FLiBe 9가지 배열 구조 최초 계산

무엇을 계산했나

핵융합 반응에서 주된 연료 후보 중 하나인 삼중수소(tritium)는 자연계에 극히 드물다. 토카막 같은 장치에서는 플라즈마를 감싸는 '블랭킷' 층에서 중성자를 이용해 삼중수소를 자체 생산하는 방식이 유력하게 검토되며, 불소·리튬·베릴륨의 혼합 용융염인 FLiBe가 핵심 후보 소재로 꼽힌다.

연구팀은 FLiBe 원자 클러스터가 삼중수소와 어떻게 상호작용하는지를 분자 수준에서 분석했다. 삼중수소 포함·미포함 조건 각각에서 9가지 FLiBe 배열의 전자 구조와 결합 에너지를 계산해, 각 배열이 삼중수소를 얼마나, 어떤 경로로 붙잡는지 규명했다. 이 규모의 계산을 양자컴퓨터로 수행한 것은 이번이 처음으로 알려졌다.

왜 고전 컴퓨터만으로는 한계가 있나

강렬한 중성자 조사, 고온, 자기장이 중첩된 블랭킷 환경에서 FLiBe의 조성은 끊임없이 변화한다. 이 같은 복잡한 양자 역학적 특성을 정밀하게 재현하려면 전자의 거동을 직접 모사해야 하지만, 고전 컴퓨터의 근사 알고리즘은 정확도와 확장성에서 한계를 드러낸다. 실험적 접근 역시 비용과 난도가 높다. 양자컴퓨터는 전자의 양자 상태를 양자 회로로 직접 표현할 수 있어 이 간극을 메울 수 있다.

양자 중심 슈퍼컴퓨팅 방법론

연구팀은 CPU·GPU·QPU(양자처리장치)를 통합한 '양자 중심 슈퍼컴퓨팅' 방식을 채택했다. 양자 회로로 분할 가능한 부분은 IBM 양자컴퓨터에서 처리하고, 나머지는 고전 슈퍼컴퓨터가 맡는 구조다. 이 방법론은 클리블랜드 클리닉과의 협력을 통해 1만 2,635개 원자 규모 단백질 시뮬레이션에도 적용된 기술로, 이번에는 소재 과학 영역으로 확장됐다. 두 플랫폼의 역할을 명확히 분리함으로써 각 시스템의 강점을 병행 활용하는 것이 핵심이다.

DOE Genesis Mission과 대형 컨소시엄

이번 연구는 미 에너지부(DOE) Genesis Mission의 일환이다. 이 미션은 DOE 산하 17개 국립연구소의 주요 과학 장비, 고성능 컴퓨팅(HPC), AI, 양자컴퓨팅을 통합해 과학적 발견을 가속하는 것을 목표로 한다. 이번 연구 컨소시엄에는 7개 DOE 국립연구소, 4개 대학, 3개 산업 파트너, 클리블랜드 클리닉이 참여한다.

한계와 향후 과제

이번 계산은 FLiBe 원자 클러스터 수준의 소규모 시뮬레이션에 해당하며, 실제 블랭킷 전체 환경을 재현하기에는 아직 규모 면에서 거리가 있다. 연구팀은 양자-고전 시스템 간 데이터 전송 지연을 줄이고 시뮬레이션 대상 분자 규모를 확대하는 것을 다음 과제로 꼽았다. 궁극적으로는 핵융합 분야 연구자들이 이 워크플로를 직접 활용해 블랭킷 소재를 설계·검증할 수 있는 환경 구축을 목표로 한다. 2026년에는 실제 자기 소재 시뮬레이션, 반-뫼비우스(half-Möbius) 분자 생성 등 IBM 양자컴퓨터 관련 성과가 잇따르고 있으며, 이번 FLiBe 계산도 그 흐름 위에 있다.