Quantinuum·GE Vernova, Helios로 고온 초전도 페르미-허버드 시뮬레이션 착수

고전 전자구조 계산법의 벽

고온 초전도체는 액체 질소로 냉각 가능한 77 K 이상에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질로, 이 현상은 강하게 상관된(strongly correlated) 전자 간 상호작용에서 비롯된다. 문제는 현재 주류 전자구조 계산법인 밀도범함수이론(DFT)과 평균장 근사(mean-field approximation)가 이 전자-전자 반발력과 양자 상전이를 충분히 기술하지 못한다는 점이다. 페르미-허버드 모델이 이런 강상관 시스템의 표준 이론 틀로 통용되지만, 격자 크기가 커질수록 고전 양자 몬테카를로 방법은 페르미온 부호 문제(fermionic sign problem) 때문에 계산 복잡도가 지수적으로 증가해 실질적인 2D 시뮬레이션이 불가능하다.

Helios 기반 시뮬레이션 구성

이번 협업에서는 Helios의 2큐비트 게이트 충실도 99.9% 초과 성능을 이용해 깊은 결맞음(coherent) 회로를 오류 완화 한계 없이 실행하는 것을 목표로 한다. 클라우드 환경의 Nexus 플랫폼이 하이브리드 컴파일과 회로 실행 스케줄링을 자동화하고, GE Vernova의 재료물리 전문 인력이 시뮬레이션 결과 해석을 맡는 역할 분담 구조다. Quantinuum은 이미 Helios에서 고온 초전도 상의 핵심 질서 변수인 s파(s-wave)와 d파(d-wave) 쌍 상관관계를 측정한 선행 실험을 보유하고 있어, 이번 프로젝트를 위한 기술적 선례가 마련돼 있다. 이번 시뮬레이션은 유사 갭(pseudogap) 현상, 전하밀도파(charge-density wave), 페어링 대칭(pairing symmetry) 등을 탐색하며 보다 완화된 냉각 조건에서 작동하는 신소재 조성의 단서를 찾는 것을 목표로 한다.

GE Vernova의 전력·추진 분야 산업 적용 시나리오

GE Vernova 입장에서 HTS 소재 개발이 현실화되면 세 가지 전력 인프라 분야에서 직접적인 상업 효과가 기대된다. 첫째, 초전도 계자 권선(superconducting field winding)은 자속 밀도를 대폭 높여 다메가와트급 해상 풍력 터빈의 나셀(nacelle) 무게와 선박 추진 시스템 부피를 줄인다. 둘째, HTS 지중 케이블은 직류 저항이 사실상 없어 기존 동선·알루미늄 도체 대비 최대 5배 높은 전류 전송 용량을 확보할 수 있어 도심 전력망의 통행 폭 문제를 완화한다. 셋째, 초전도 고장전류 제한기(SFCL)는 단락 사고 시 초전도 상실을 즉각 이용해 고장 전류를 억제함으로써 변압기를 보호한다. 이는 GE Vernova가 자사의 발전·송전 장비 포트폴리오에 양자 시뮬레이션을 직접 연결하려는 시도라는 점에서 단순한 연구 협력 이상의 전략적 의미를 갖는다.

선행 알고리즘 연구에서 실물 QPU 실험으로 전환

GE Vernova ARC는 올해 초 AIP Advances에 탄소 포집 흡착제(아민 기능화 금속-유기 골격체, MOF)에 적용한 적응형 VQE(변분 양자 고유값 풀이) 알고리즘 벤치마크를 GPU 가속 상태벡터 시뮬레이터로 수행한 결과를 발표한 바 있다. 이번 Quantinuum과의 협업은 그 다음 단계, 즉 고전 슈퍼컴퓨터상의 알고리즘 에뮬레이션에서 실물 이온트랩 프로세서를 이용한 직접 실험으로의 전환을 의미한다.

기술적 의미와 남은 과제

고온 초전도는 전력 손실 절감, 장비 경량화, 그리드 안정성 등 광범위한 산업적 잠재력을 지닌 분야다. 그러나 페르미-허버드 시뮬레이션에서 도출된 페어링 대칭 정보가 실제 신소재 합성으로 이어지기까지는 물질 설계, 실험적 검증, 제조 스케일업 등 다수의 추가 단계가 필요하다. 또한 이번 발표는 구체적인 목표 소재 조성이나 연구 타임라인을 제시하지 않았다. 양자 시뮬레이션이 물질 발견의 실질적 가속 수단으로 기능하는지는 향후 실험 데이터가 쌓여야 판단할 수 있다.