연구 내용
계산화학은 컴퓨터의 성능 향상과 함께 지난 수십 년 동안 매우 급격한 발전을 거듭하여, 현재는 화학 전 분야에 걸쳐 결과 해석 및 연구 방향 설정에 널리 사용되고 있습니다. 저희 연구실에서는 이러한 이론 및 계산 도구들을 미시 세계에서 일어나는 현상들의 연구에 적용하고 있으며, 이 과정에서 맞닥뜨리는 기술적 문제들을 해결하기 위하여 새로운 방법론들을 직접 개발하기도 합니다. 주로 집중하는 주제들은 연구실의 이름에서 미루어 짐작할 수 있듯이 양자동역학 분야에 속해 있으며, 이는 양자역학의 근본 원리인 슈뢰딩거 방정식에 기반하여 복잡한 분자계가 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 추적하는 것입니다.
각 주제들에 대한 세부적인 내용은 아래와 같습니다.
#1 양자 하드웨어
2차원 양자점의 전자 구조 계산과 동역학 시뮬레이션
두 종류의 반도체를 접합시켜 생성된 계면 근처에 전극을 식각하여 만드는 2차원 양자점은 양자 시뮬레이션과 양자 컴퓨팅의 핵심 소자로 주목받고 있습니다. 양자점들의 성질은 규칙적인 결정보다는 원자나 분자에 가까우며, 이는 지금까지 축적되어 온 양자화학 분야의 풍부한 지식과 방법론들을 거의 그대로 적용할 수 있다는 의미입니다. 저희는 이러한 측면에서 양자점 내부의 전자 구조를 정확하게 계산하는 프로그램을 개발하고, 이를 바탕으로 양자점에 기반한 양자 논리 게이트나 양자 시뮬레이터에 대한 이론적 연구를 계획하고 있습니다. 구체적으로는 양자점 큐비트의 동작 방식에 따른 신뢰도를 비교하거나, 아직 보고되지 않은 양자점 시스템의 새로운 활용 방법을 제시할 수 있을 것으로 예상합니다.
#2 양자 소프트웨어
양자동역학 연구를 위한 양자 알고리즘 개발
양자 컴퓨터에서 실행되는 양자 알고리즘들은 기존의 슈퍼 컴퓨터로 해결이 불가능한 여러 문제들에 대하여 답을 제시할 수 있을 것으로 기대되고 있으며, 최근 초보적인 양자 컴퓨터의 구동과 함께 그 관심도가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 저희 연구실에서는 양자동역학 분야의 주요 과제 중 하나인 열린 양자계의 시뮬레이션에 사용될 수 있는 양자 알고리즘을 개발하고자 합니다. 열린 양자계는 주변 환경과의 상호작용 하에 놓인 분자들의 행동을 연구하기 위한 모형으로써, 이를 풀어 낼 수 있는 효과적인 방법을 개발하는 것은 액체 및 고체상에서 일어나는 복잡한 물리화학적 현상들에 대한 이해와 직결되어 있다고 할 수 있습니다.
#3 양자 세계의 열역학
열린 양자계에서 에너지 및 엔트로피의 이동
지금까지 열린 양자계에 대한 연구는 대부분 중심 양자계에 집중되어 있어 얻을 수 있는 정보가 한정되어 있었고, 따라서 실제 분자에서 일어나는 현상을 분석하는 데는 명확한 한계가 있었습니다. 저희는 주변 환경의 각 부분이 동역학에 기여하는 정도를 정량적으로 측정함으로써 더욱 자세한 정보를 얻을 수 있다고 생각하며, 이를 위하여 중심 양자계와 주변 환경 사이에 교환되는 에너지와 엔트로피의 양을 세부적으로 분해할 수 있는 이론을 개발하고 있습니다. 이러한 노력을 통하여 아직까지도 제대로 확립되지 않은 양자 세계에서의 열역학 법칙을 이해하는 데 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 광합성 집광 단백질이나 금속 나노 입자-분자 복합체 등의 기능에 영향을 미치는 주요 구조적 요소들을 명확히 규명할 수도 있을 것입니다.
#4 기계학습의 화학적 응용
반응 최적화와 효율적인 분자 역장 구축
오늘날 기계학습은 매우 다양한 분야에서 정교한 예측 모형을 개발하기 위하여 활발히 사용되고 있기에, 저희도 이를 화학 연구에 적극적으로 활용하고자 합니다. 현재 주목하는 연구 방향은 두 가지 정도가 있는데, 첫 번째는 화학과의 다른 실험실들과 협력하여 유기 반응의 수율을 예측하는 인공 신경망 모형을 수립하고, 이를 통하여 반응 조건을 최적화하고 새로운 반응을 찾아내는 것입니다. 또한, 기계학습에 기반하여 개별 분자에 특화된 역장(force field)을 만드는 것에도 관심이 있으며, 궁극적으로는 이를 고전 및 양자 분자 동역학 시뮬레이션과 결합시켜 반응 메커니즘 연구의 정확성을 높이고자 합니다.
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