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양자역학 더 빠르고 정확하게 계산한다

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2011년 11월 29일 00:00 프린트하기

국내 연구진이 이전보다 계산시간은 대폭 줄이고 정확도는 더 높인 새로운 양자역학 계산이론을 개발했다. KAIST EEWS대학원 정유성 교수와 윌리엄 고다드 교수는 비교적 간단한 파동함수와 전자밀도만으로 특정 시스템의 에너지와 성질을 계산할 수 있는 전자밀도범함수 계산이론과 알고리즘을 개발했다고 29일 밝혔다. 양자역학 계산은 분자의 구조나 광학적·화학적 성질을 예측하기 위해 재료나 화학 분야에서 많이 사용한다. 기존에는 특정 시스템의 에너지 및 성질을 양자역학적으로 계산하기 위해 파동함수를 사용했다. 문제는 파동함수는 정확도가 높지만 계산 시간이 너무 길어 수천 개의 원자를 갖는 거대 분자에는 사용하기 어렵다는 것이다. 반면 전자밀도 함수는 계산량은 적지만 정확도가 떨어진다는 단점이 있었다. 연구팀은 파동함수와 전자밀도 함수의 장점만을 골라 새로운 계산이론을 만들었다. 계산이 간단한 전자밀도 함수를 기본 함수로 하되, 여기에 간단한 형태로 바꾼 파동함수를 결합한 것이다. 거리가 가까워 상호작용이 강한 전자들에 집중하고, 멀리 떨어져 있어 상호작용이 거의 없는 전자들은 과감히 배재하는 방식으로 파동함수의 형태를 바꿨다. 그 결과 계산시간을 최대 100배 이상 단축할 수 있었다고 연구진은 설명했다. 기존에는 탄소 200개와 수소 402개로 이뤄진 알케인 분자 하나를 계산하는 데 6개월이 걸렸지만 새로운 방법은 하루만에 비슷한 결과를 이끌어 냈다. 정 교수는 “계산과학이나 재료 설계 같은 응용 연구에 비해 기초 방법론과 소프트웨어 개발은 국내 연구가 뒤처져 있는 편이었는데, 이번에 국내에서 기존보다 월등히 앞선 방법론을 개발할 수 있어 의미가 크다”고 설명했다. 이번에 개발된 방법론은 큐켐(Q-CHEM)이라는 상용 소프트웨어 패키지를 통해 일반연구자들에게 공급될 예정이다. 연구 결과는 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 11월 23일자 온라인판에 실렸다.

김윤미 기자 ymkim@donga.com

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