-  양자역학의 법칙이 원자보다 훨씬 큰 규모의 전기 회로에서도 성립함을 실험으로 증명

- 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화 실험으로 ‘양자기술의 초석’ 마련

2025년 노벨물리학상은 양자역학의 법칙이 원자보다 훨씬 큰 규모의 전기 회로에서도 성립함을 실험으로 증명한 존 클라크(UC 버클리), 미셸 드보레(예일대·UC 샌타바버라), 존 마티니스(UC 샌타바버라) 교수 등 세 명의 물리학자를 선정했다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 10월 7일(현지시간) 초전도 회로에서의 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화의 실험적 검증 공로로 선정했는데 이들의 연구는 양자역학이 더 이상 미시 세계의 법칙에 머물지 않고, 인간이 설계한 전기회로나 마이크로칩에서도 구현될 수 있음을 보여주었다는 점에서 평가받는다.

이들 연구는 1980년대 중반에 수행됐다. 세 과학자는 두 초전도체 사이에 얇은 절연층을 끼운 조셉슨 접합(Josephson junction) 구조를 이용해 실험을 진행했다.

이 장치에서는 전류가 흐르는데도 전압이 발생하지 않는 비정상적인 현상이 나타났다. 이는 전자가 고전적인 에너지 장벽을 넘는 대신, ‘양자 터널링(quantum tunneling)’을 통해 절연층을 통과했기 때문으로 해석됐다.

이 실험은 거시적 전자 회로에서 양자역학의 효과를 직접 관찰한 최초의 사례로 꼽히며, 이후 초전도 큐비트(superconducting qubit) 개발의 기반이 되었다.

드보레와 마티니스는 이후 초전도 큐비트 설계와 양자 회로 제어 연구를 이어가며, 양자정보 처리 기술 발전을 이끌었다. 특히 마티니스 교수는 구글의 ‘양자 우월성(quantum supremacy)’ 실험을 주도해, 양자 시스템이 특정 계산에서 기존 슈퍼컴퓨터를 능가할 수 있음을 증명했다.

노벨위원회는 “올해는 양자역학 탄생 100주년이 되는 해”라며, “이번 수상은 양자 법칙이 이제는 실용 기술의 언어로 구현되고 있음을 상징한다”고 밝혔다.

양자 터널링과 에너지 양자화는 트랜지스터, 초전도 회로, 양자점(quantum dot) 등 현대 전자공학의 핵심 원리를 구성한다. 이번 업적은 양자컴퓨팅 시대의 기술적 토대를 마련한 실험으로 평가된다.

■ 수상자 약력

◊존 클라크(John Clarke, 1942년생, 영국 케임브리지 출신) : UC 버클리 물리학과 교수. 초전도 양자간섭계(SQUID) 개발과 저온 양자현상 연구의 선구자.

◊미셸 드보레(Michel Devoret, 1953년생, 프랑스 파리 출신) : 예일대 응용물리학과 교수이자 UC 샌타바버라 객원 교수. 초전도 큐비트 설계 및 양자회로 제어 연구로 세계적 명성.

◊존 마티니스(John Martinis, 1958년생, 미국) : UC 샌타바버라 교수, 구글 양자컴퓨팅 프로젝트의 수석 과학자를 역임. 2019년 ‘양자 우월성’ 실험을 주도.

세 수상자는 1,100만 스웨덴 크로나(약 16억 4천만 원)의 상금을 공동으로 수령한다.

올해 노벨상 시상 주간은 6일 생리의학상을 시작으로, 7일 물리학상, 8일 화학상, 9일 문학상, 10일 평화상, 13일 경제학상 순으로 이어진다.

■2025년 올해 노벨물리학상 수상자 업적

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회

“전기회로에서 거시적 양자 역학적 터널링 현상과 에너지 양자화의 발견”

인간 규모(scale)에서의 양자 특성

2025년 노벨물리학상 수상자인 존 클라크, 미셸 H. 드보레, 존 M. 마티니스는 일련의 실험을 통해 양자 세계의 기이한 특성이 손에 쥘 수 있을 만큼 큰 시스템에서도 구체화될 수 있음을 입증했다. 그들의 초전도 전기 시스템은 마치 벽을 뚫고 지나가는 것처럼 한 상태에서 다른 상태로 터널링할 수 있었다. 또한 양자역학이 예측한 대로 이 시스템이 특정 크기의 에너지 단위로 에너지를 흡수하고 방출함을 보여주었다.

일련의 획기적인 실험들

양자역학은 단일 입자가 관여하는 규모에서 중요한 특성을 설명한다. 양자물리학에서 이러한 현상은 광학 현미경으로 관찰 가능한 크기보다 훨씬 작더라도 미시적이라고 불린다. 이는 다수의 입자로 구성된 거시적 현상과 대비된다. 예를 들어 일상적인 공은 천문학적인 분자 수로 구성되어 양자역학적 효과를 전혀 보이지 않는다. 우리는 공이 벽에 던져질 때마다 반드시 튕겨 돌아올 것임을 안다. 그러나 미시적 세계에서 단일 입자는 때로 동등한 장벽을 그대로 통과해 반대편에 나타난다. 이 양자역학적 현상을 터널링이라 부른다.

올해 노벨 물리학상은 양자 터널링이 다수의 입자가 관여하는 거시적 규모에서 관측될 수 있음을 입증한 실험을 인정한다. 1984년과 1985년, 존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스는 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에서 일련의 실험을 수행했다. 그들은 전류를 전혀 저항 없이 전도할 수 있는 초전도체 두 개로 전기 회로를 구축했다. 이들은 전류를 전혀 전도하지 않는 얇은 물질층으로 초전도체를 분리했다. 이 실험에서 그들은 초전도체 내 모든 하전 입자가 마치 회로 전체를 채우는 단일 입자처럼 일제히 행동하는 현상을 제어하고 연구할 수 있음을 보여주었다.이 입자 같은 시스템은 전압 없이 전류가 흐르는 상태에 갇혀 있다. 이 상태에서 탈출할 만큼 충분한 에너지를 가지지 못한다. 실험에서 시스템은 터널링을 이용해 제로 전압 상태에서 탈출함으로써 양자적 특성을 보여주며, 전기 전압을 생성한다. 수상자들은 또한 시스템이 양자화되어 있다는 것을 보여주었는데, 이는 에너지를 특정 양으로만 흡수하거나 방출한다는 의미이다.

벽에 공을 던지면, 반드시 다시 튀어 올라올 거라 확신할 수 있다.

벽 반대편에 공이 갑자기 나타난다면, 당신은 매우 놀랄 것이다.

양자역학에서 이런 현상을 터널링이라고 부르며, 바로 이런 현상들이 양자역학이 기묘하고 직관적이지 않다는 평판을 얻게 한 이유이다. 벽에 공을 던지면 반드시 당신에게 튕겨 돌아올 것이라고 확신할 수 있다.

초기 실험에는 전압이 전혀 없다. 마치 레버가 꺼진 위치에 있고, 무언가가 켜진 위치로 이동하는 것을 막고 있는 것과 같다. 양자역학의 효과가 없다면 이 상태는 변하지 않을 것이다.

갑자기 전압이 나타난다. 이는 두 위치 사이의 장벽에도 불구하고 레버가 꺼진 상태에서 켜진 상태로 이동한 것과 같다. 실험에서 일어난 현상을 거시적 양자 터널링이라고 부른다.

터널과 횡단

수상자들은 이를 위해 수십 년에 걸쳐 발전된 개념과 실험 도구를 활용했다. 상대성 이론과 함께 양자 물리학은 현대 물리학의 기초를 이루며, 연구자들은 지난 세기 동안 그 함의를 탐구해 왔다.

개별 입자의 터널링 능력은 잘 알려져 있다. 1928년 물리학자 조지 가모프는 일부 무거운 원자핵이 특정한 방식으로 붕괴하는 이유가 터널링 때문임을 깨달았다. 핵 내부의 힘들 간의 상호작용은 핵 주위에 장벽을 형성하여 그 안에 포함된 입자들을 가둔다. 그러나 그럼에도 불구하고, 원자핵의 작은 조각이 때때로 분리되어 장벽 밖으로 이동하고 탈출할 수 있다. 이로 인해 뒤에 남은 핵은 다른 원소로 변형된다. 터널링 현상이 없다면 이러한 유형의 핵 붕괴는 발생할 수 없다.

터널링은 양자역학적 과정으로, 우연이 작용함을 의미한다. 일부 원자핵은 높고 넓은 장벽을 지녀 핵의 일부가 외부로 나타나기까지 오랜 시간이 걸리는 반면, 다른 유형은 더 쉽게 붕괴한다. 단일 원자만을 관찰한다면 예측할 수 없다.

이 현상이 언제 일어날지는 알 수 없지만, 동일한 종류의 다수 핵이 붕괴하는 과정을 관찰함으로써 터널링이 발생하기까지 예상되는 시간을 측정할 수 있다. 이를 설명하는 가장 일반적인 방법은 반감기 개념으로, 이는 시료 내 핵의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간을 의미한다.

물리학자들은 거의 한 세기 동안 특정 유형의 핵 붕괴(알파 붕괴)에 터널링 현상이 필수적임을 알고 있었다. 원자핵의 아주 작은 조각이 벗어나 원자핵 외부로 나타난다.

물리학자들은 한 번에 여러 입자가 관여하는 터널링 현상을 연구할 수 있을지 곧바로 궁금해했다. 새로운 유형의 실험 접근법 중 하나는 특정 물질이 극도로 차가워질 때 발생하는 현상에서 비롯되었다. 일반적인 전도성 물질에서는 전자가 물질 전체를 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 전류가 흐른다. 일부 물질에서는 전도체를 통과하는 개별 전자들이 조직화되어 저항 없이 흐르는 동기화된 춤을 추게 된다. 이 물질은 초전도체가 되었으며, 전자들은 쌍을 이루어 결합된다. 이 쌍은 초전도체의 작동 원리를 상세히 설명한 레온 쿠퍼(Leon Cooper)의 이름을 따 쿠퍼 쌍(Cooper pairs)이라 불린다. (1972년 노벨 물리학상 수상). (1972년 노벨 물리학상 수상).

쿠퍼 쌍은 일반 전자와는 완전히 다르게 행동한다. 전자는 높은 정합성을 지니며 서로 거리를 유지하려 한다. 동일한 성질을 가진 두 전자는 같은 위치에 존재할 수 없다. 예를 들어 원자에서 전자가 껍질이라 불리는 서로 다른 에너지 준위로 나뉘는 것을 통해 이를 확인할 수 있다. 그러나 초전도체 내 전자들이 쌍을 이루면 개별성을 일부 상실한다. 두 개의 분리된 전자는 항상 구별되지만, 두 쿠퍼 쌍은 완전히 동일할 수 있다. 이는 초전도체 내 쿠퍼 쌍이 단일 단위, 즉 하나의 양자역학적 체계로 설명될 수 있음을 의미한다. 양자역학 용어로 표현하면, 이들은 단일 파동함수로 기술된다. 이 파동함수는 주어진 상태와 특성을 지닌 체계 관측 확률을 설명한다.

<그림> 쿠퍼 쌍은 마치 하나의 입자처럼 행동하며 전기 회로 전체를 채운다. 양자역학은 공유된 파동 함수를 통해 이 집단적 상태를 설명한다.이 파동 함수의 특성이 수상자들의 실험에서 핵심적인 역할을 한다.

정상적인 전도체에서는 전자가 서로 및 물질과 부딪치며 움직인다. 물질이 초전도체가 되면 전자는 쌍을 이루어 쿠퍼 쌍을 형성하며저항이 없는 전류를 생성한다. 그림 속 갭은 조지프슨 접합부를 표시한다.

두 초전도체를 얇은 절연체 장벽으로 연결하면 조셉슨 접합이 생성된다. 이 부품은 접합에 대한 양자역학적 계산을 수행한 브라이언 조셉슨의 이름을 따 명명되었다. 그는 접합 양측의 파동 함수를 고려할 때 흥미로운 현상이 발생함을 발견했다(1973년 노벨 물리학상 수상). 조셉슨 접합은 기초 물리 상수 및 자기장의 정밀 측정 등 다양한 분야에서 신속히 응용 영역을 찾았다. 이 구조는 또한 양자 물리학의 근본 원리를 새로운 방식으로 탐구할 수 있는 도구를 제공했다. 이를 실천한 인물 중 한 명이 앤서니 레겟(2003년 노벨 물리학상 수상자)으로, 조셉슨 접합에서의 거시적 양자 터널링에 관한 그의 이론적 연구는 새로운 유형의 실험을 촉발시켰다.

연구 그룹의 시작

이러한 주제들은 존 클라크의 연구 관심사와 완벽하게 부합했다. 그는 1968년 영국 케임브리지 대학에서 박사 학위를 취득한 후 미국 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스로 옮겨 교수로 재직 중이었다. 버클리에서 그는 연구 그룹을 구성하고 초전도체와 조지프슨 접합을 활용한 다양한 현상 탐구에 특화되었다. 1980년대 중반, 미셸 드보레는 파리에서 박사 학위를 취득한 후 존 클라크 연구팀에 박사후 연구원으로 합류했다. 이 팀에는 박사 과정 학생 존 마티니스도 포함되어 있었다. 그들은 함께 거시적 양자 터널링을 입증하는 과제에 도전했다. 실험 장치에 영향을 미칠 수 있는 모든 간섭으로부터 보호하기 위해 엄청난 주의와 정밀함이 필요했다. 그들은 전기 회로의 모든 특성을 정밀하게 측정하고 분석하여 이를 상세히 이해하는 데 성공했다.

양자 현상을 측정하기 위해 그들은 조셉슨 접합에 약한 전류를 공급하고 회로의 전기 저항과 관련된 전압을 측정했다. 예상대로 조셉슨 접합의 전압은 처음에 0이었다. 이는 시스템의 파동 함수가 전압이 발생하지 않는 상태에 갇혀 있기 때문이다. 그 후 연구진은 시스템이 이 상태에서 터널링하여 전압을 발생시키기까지 걸리는 시간을 연구했다. 양자역학에는 우연의 요소가 포함되기 때문에, 그들은 수많은 측정을 수행하고 그 결과를 그래프로 작성했다. 이를 통해 제로 전압 상태의 지속 시간을 읽을 수 있었다. 이는 원자핵의 반감기 측정이 수많은 붕괴 사례의 통계에 기반하는 방식과 유사하다.

<그림> Power connector

존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스는 초전도 전기 회로를 이용한 실험 장치를 구축했다. 이 회로를 탑재한 칩의 크기는 약 1센티미터였다. 이전에는 터널링과 에너지 양자화가 극소수의 입자로 구성된 시스템에서 연구되었으나, 이번 실험에서는 칩 전체 초전도체를 채운 수십억 개의 쿠퍼 쌍으로 이루어진 양자 역학적 시스템에서 이러한 현상이 관측되었다. 이로써 실험은 양자 역학적 효과를 미시적 규모에서 거시적 규모로 확장시켰다.

터널링 현상은 실험 장치 내 쿠퍼 쌍이 동기화된 춤을 추며 하나의 거대 입자처럼 행동하는 방식을 보여준다. 연구진은 시스템이 양자화된 에너지 준위를 보인다는 사실을 관찰하며 이를 추가로 확인했다. 양자역학은 미시적 과정의 에너지가 개별적인 단위인 양자(quanta)로 나뉜다는 관찰에서 그 이름이 유래되었다. 수상자들은 제로 전압 상태에 다양한 파장의 마이크로파를 주입했다. 일부는 흡수되었고, 시스템은 더 높은 에너지 준위로 이동했다. 이는 시스템이 더 많은 에너지를 포함할 때 제로 전압 상태의 지속 시간이 짧아진다는 것을 보여주었는데, 이는 양자역학이 예측하는 바와 정확히 일치한다. 장벽 뒤에 갇힌 미시적 입자도 동일한 방식으로 작동한다.

존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스는 초전도 전기 회로를 이용한 실험을 구축했다. 장벽 뒤에 위치한 양자 역학적 시스템은 다양한 양의 에너지를 가질 수 있지만, 특정 양의 에너지만 흡수하거나 방출할 수 있다. 이 시스템은 양자화되어 있다. 터널링 현상은 낮은 에너지 수준보다 높은 에너지 수준에서 더 쉽게 발생하므로, 통계적으로 더 많은 에너지를 가진 시스템은 더 적은 에너지를 가진 시스템보다 포획된 상태를 유지하는 시간이 짧다.

실용적 및 이론적 이점

이 실험은 양자역학 이해에 중요한 시사점을 제공한다. 거시적 규모에서 관측되는 다른 양자역학적 효과들은 수많은 미세한 개별 입자와 그 각각의 양자적 특성으로 구성된다. 이러한 미시적 구성 요소들이 결합되어 레이저, 초전도체, 초유체와 같은 거시적 현상을 일으킨다. 그러나 이 실험은 오히려 거시적 상태 자체에서 거시적 효과(측정 가능한 전압)를 생성했는데, 이는 수많은 입자를 포괄하는 공통 파동 함수 형태로 구현되었다.

앤서니 레겟 같은 이론가들은 수상자들의 거시적 양자 시스템을 에르빈 슈뢰딩거의 유명한

상자 속 고양이 사고 실험과 비교했다. 이 실험에서 고양이는 우리가 안을 들여다보지 않으면 살아 있으면서도 동시에 죽어 있는 상태가 된다. (에르빈 슈뢰딩거는 1933년 노벨 물리학상을 수상했다.)

이 사고 실험의 의도는 양자 역학의 특수한 성질이 거시적 규모에서는 종종 사라진다는 점을 보여줌으로써 이러한 상황의 부조리함을 드러내려는 것이었다. 실험실에서 고양이 전체의 양자적 성질을 입증하는 것은 불가능하다. 그러나 레겟은 존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스가 수행한 일련의 실험을 통해 데보레, 존 마티니스가 수행한 일련의 실험은 수많은 입자들이 함께 양자역학이 예측하는 대로 행동하는 현상이 존재함을 보여주었다고 주장했다. 수많은 쿠퍼쌍으로 구성된 거시적 시스템은 여전히 새끼 고양이보다 몇 배나 작지만, 실험이 시스템 전체에 적용되는 양자역학적 특성을 측정하기 때문에 양자 물리학자에게는 슈뢰딩거의 가상의 고양이와 상당히 유사하다.

이러한 거시적 양자 상태는 입자의 미시적 세계를 지배하는 현상을 활용한 실험에 새로운 가능성을 제시한다. 이는 대규모 인공 원자 형태로 간주될 수 있는데, 케이블과 소켓을 갖춘 원자로 새로운 실험 장치에 연결하거나 새로운 양자 기술에 활용될 수 있다. 예를 들어 인공 원자는 다른 양자 시스템을 시뮬레이션하고 이해하는 데 도움을 준다.

또 다른 예로는 마티니스가 수행한 양자 컴퓨터 실험이 있는데, 여기서 그는 자신과 다른 두 수상자가 입증한 바로 그 에너지 양자화를 활용했다. 그는 양자화된 상태를 정보 전달 단위인 양자 비트(큐비트)로 사용하는 회로를 사용했다. 최저 에너지 상태와 그 바로 위 단계는 각각 0과 1의 역할을 했다. 초전도 회로는 미래 양자 컴퓨터 구축을 위한 기술 중 하나로 연구되고 있다.

따라서 올해 수상자들은 물리학 실험실에서의 실질적 이점과 물리적 세계에 대한 이론적 이해를 위한 새로운 정보 제공이라는 두 측면 모두에 기여했다.

< 출처 : 노벨사이언스 노벨위원회 / 노벨사이언스 편집위원회(25.10.07) >