[2025 노벨상] 물리학상 "이젠 양자역학의 세계로 통한다"

[아이뉴스24 정종오 기자] 노벨위원회가 양자에 주목했다. 올해 노벨물리학상은 앞으로 본격적으로 펼쳐질 양자 암호학, 양자 컴퓨터, 양자 센서의 발전에 이바지한 이들에게 돌아갔다.

노벨위원회는 7일 2025년 노벨물리학상(Physics)으로 ‘전기 회로에서 거시적 양자역학적 터널링과 에너지 양자화를 발견한 공로’로 미국 박사들인 존 클라크(John Clarke), 미셸 H. 데보레(Michel H. Devoret), 존 M. 마티니스(John M. Martinis)를 선정했다.

‘거시적 양자역학’에 방점을 찍었다. 이들 3명의 학자는 칩 실험을 통해 양자 물리학의 실체를 알아냈다는 점을 높게 평가받았다.

물리학의 주요 질문 중 하나는 양자역학적 효과를 입증할 수 있는 시스템의 최대 크기가 얼마인가에 있다. 2025년 노벨물리학상 수상자들은 손에 쥘 수 있을 만큼의 큰 시스템에서 양자역학적 터널링과 양자화된 에너지 준위(에너지의 높고 낮음)를 모두 입증하는 전기 회로 실험을 수행해 좋은 결과를 만들어냈다.

양자역학은 터널링이라는 과정을 통해 입자가 장벽을 직선으로 통과할 수 있도록 한다. 일반적으로 우리가 공을 벽에 던지면 튕겨 나오기 마련이다.

만약 공을 던졌는데 반대편 벽면에서 확인된다면 이는 매우 놀라운 일이다. 양자역학에서는 이런 현상을 터널링이라 부른다.

이번 노벨물리학상 수상자들의 실험은 양자역학적 특성이 거시적 규모에서 구체화될 수 있음을 보여줬다는 점이 높게 평가됐다.

1984년과 1985년에 존 클라크, 미셸 데보레, 존 마티니스는 전기 저항 없이 전류를 흐르게 할 수 있는 부품인 초전도체로 제작된 전자 회로를 이용해 관련 실험을 진행했다.

회로에서 초전도성 구성 요소들은 조셉슨 접합(Josephson Junction)이라고 알려진 얇은 비전도성 물질 층으로 분리됐다. 조셉슨 접합은 초전도 큐비트에서 양자상태의 조작과 측정을 가능하게 하는 핵심 구성 요소이다.

조셉슨 효과는 두 개의 초전도체 사이에 형성된 얇은 절연층을 통해 전자가 터널링하는 양자역학적 현상을 말한다.

회로의 다양한 특성을 모두 정밀하게 측정하고 개선함으로써, 그들은 전류가 흐를 때 발생하는 현상을 제어하고 탐구했다. 초전도체를 통과하는 대전 입자들은 마치 전체 회로를 채우는 단일 입자처럼 동작하는 시스템을 구성했다.

이 거시적 입자 유사 시스템은 처음에는 전압 없이 전류가 흐르는 상태였다. 이 실험에서 시스템은 터널링을 통해 0전압 상태를 벗어나는 데 성공한다. 터널링을 입증한 것이고 양자적 특성을 보인 것이다.

수상자들은 또한 이 시스템이 양자역학에서 예측한 방식, 양자화돼 특정 양의 에너지만 흡수하거나 방출한다는 것을 입증할 수 있다.

노벨위원회 올레 에릭슨은 “100년의 양자역학의 연구에서 끊임없이 놀라움을 던져주는 것을 기념할 수 있어 기쁘다”며 “양자역학은 모든 디지털 기술의 기반이고 매우 유용하다”고 설명했다.

노벨위원회 측은 “올해 노벨물리학상을 받은 이들의 업적은 양자 암호학, 양자 컴퓨터, 양자 센서를 포함한 차세대 양자 기술 개발의 기회를 제공했다”고 강조했다.

한편 미국 캘리포니아대 버클리 캠퍼스 교수인 존 클라크는 1942년 영국 케임브리지 출생으로 1968년 영국 케임브리지대에서 박사 학위를 취득했다.

미셸 H. 데보레는 1953년 프랑스 파리 출생으로 1982년 프랑스 파리-쉬드대에서 학위를 취득하고 예일대와 미국 캘리포니아 대 산타바바라 캠퍼스 교수를 역임했다.

존 마티니스는 1958년 출생으로 미국 캘리포니아대 버클리 캠퍼스에서 박사 학위를 취득한 뒤 캘리포니아대 산타바바라 캠퍼스 교수로 있다.