ORNL·IBM Quantum, FLiBe 용융염 내 삼중수소 결합 이종 혼합 계산 최초 구현

왜 삼중수소 결합인가

핵융합 상용로가 자립 운전을 유지하려면 고온 플라즈마를 감싸는 액체 염(blanket)에서 삼중수소(³H)를 직접 생산해야 한다. 리튬-6 원자에 고에너지 중성자가 충돌하면 삼중수소가 생성되는데, 이 삼중수소가 가스 상태로 추출되지 않고 불소와 결합해 부식성 삼중수소 불화물(TF)을 형성하면 블랭킷 소재 손상과 연료 회수 효율 저하로 이어진다. 기존 고전 계산법인 밀도범함수이론(DFT)은 자유에너지 오차가 최대 10%에 달해 이 두 경로를 구별하는 데 한계가 있다.

이종 양자-고전 워크플로 구조

연구팀은 원래 12,635개 원자 규모 단백질 모델링에 사용했던 내장 파동함수(EWF) 분할 프레임워크를 FLiBe(2LiF–BeF₂) 계에 적용했다. 먼저 고전 컴퓨터가 ab initio 분자동역학 시뮬레이션에서 21개 이온으로 구성된 국소 구조 클러스터를 추출해 원자 중심 단편으로 분할한다. 상대적으로 얽힘이 적은 단편은 고전 CPU·GPU가 처리하고, 다체 상관(many-body correlation)이 복잡한 클러스터는 IBM Quantum 하드웨어로 전달된다. 양자 프로세서에서는 확장 표본 기반 양자 대각화(ext-SQD) 알고리즘으로 9개 분자 형상에 대한 바닥 상태 에너지를 계산한다.

정확도 검증 결과

양자 하드웨어 계산 결과는 완전 구성 상호작용(full configuration interaction) 기준값과 0.7 kcal/mol 이내에서 일치했으며, 평균 절대 편차는 0.3 kcal/mol로 나타났다. 단편화·비단편화 형태 간 에너지 차이는 평균 12 kcal/mol, 독립적인 삼중수소 결합 에너지 편차는 110 kcal/mol로 측정됐다. 연구팀은 이 잔류 편차의 주된 원인이 QPU 실행이 아닌 단편 구성 방식 자체에 있다고 분석했다.

DOE Genesis Mission과의 연계

이번 연구는 미국 DOE의 Genesis Mission이 설정한 삼중수소 추출·연료 증식 병목 해소 목표를 위한 개념 검증 단계에 해당한다. 연구팀은 향후 ORNL이 70년간 축적한 용융염 데이터베이스를 기반으로 AI 에이전트가 후보 염을 자동 제안하고, 신경망이 유체동역학을 근사한 뒤 고정밀 화학 계산을 확장된 양자 프로세서로 전달하는 폐루프(closed-loop) AI 아키텍처로 발전시킬 계획이다.

의미와 한계

핵융합 블랭킷 소재 설계에 양자 컴퓨팅이 실질적으로 개입한 첫 사례라는 점에서 의미가 있다. 다만 현 단계는 21개 이온 클러스터 수준의 제한된 시스템이며, 방사선·자기장·열부하 조건이 동시에 작용하는 실제 반응로 환경을 재현하기에는 시스템 규모와 소음 내성 모두 추가 발전이 필요하다. 또한 프리프린트 단계로 동료 심사를 거치지 않은 결과임을 감안해야 한다.