초전도 회로에서 ‘양자 터널링’ 입증한 3인, 노벨 물리학상 수상

[이데일리 김현아 기자]2025년 노벨 물리학상은 미시 세계의 법칙으로 여겨졌던 양자역학(Quantum Mechanics)을 거시 세계로 확장해낸 세 명의 물리학자에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원은 7일(현지시간) “전기 회로 내에서 거시적 규모의 양자역학적 터널링과 에너지 양자화를 발견한 공로로, 존 클라크(John Clarke·미 캘리포니아대), 미셸 드브로에(Michel H. Devoret·미 예일대 및 캘리포니아대), 존 M. 마르티니스(John M. Martinis·미 캘리포니아대)에게 올해 노벨 물리학상을 수여하기로 결정했다”고 발표했다.

왼쪽부터 존 클라크 (John Clarke), 미셸 드브로에 (Michel H. Devoret), 존 M. 마르티니스 (John M. Martinis)

양자역학 100년, ‘터널링’의 새로운 장 열다

올해는 베르너 하이젠베르크가 양자역학의 기본 공식을 발표한 지 정확히 100주년이 되는 해다.

왕립과학원은 “양자역학은 원자·전자 등 미시세계의 법칙을 설명하는 이론이지만, 이번 연구는 그 경계를 넘어 거시적 전기회로에서도 양자현상이 성립함을 실험적으로 입증했다”고 강조했다.

세 수상자의 연구는 ‘양자 터널링(Quantum Tunneling)’이라 불리는 현상을 확장했다.

이는 고전역학적으로 입자가 통과할 수 없는 장벽을 양자 입자가 ‘터널을 파듯’ 통과하는 현상으로, 핵의 방사성 붕괴나 반도체 소자 등에서 이미 알려져 있었다. 그러나 거시적 전기회로 수준에서 이를 실험적으로 증명한 것은 이번이 처음이었다.

초전도 회로에서 일어난 ‘거시적 양자 터널링’

세 수상자는 1985년, 초전도체 두 개를 얇은 절연층으로 연결한 조지프슨 접합(Josephson Junction)을 이용한 실험에서 획기적인 결과를 얻었다.

이들은 초전도 전류가 흐르는 회로에서 ‘전압이 없는 상태’와 ‘전압이 있는 상태’가 고전역학적으로는 전이 불가능함에도 불구하고 실제로 전환되는 현상을 관찰했다.

이 결과는 전자들이 ‘쿠퍼쌍(Couper pairs)’을 이루어 거시적 단일 양자상태로 존재함을 입증한 결정적 증거였다.

즉, 미시적 현상으로만 여겨졌던 터널링이 거시적 전기 시스템에서도 발생한다는 사실을 증명한 것이다.

또한 마이크로파를 조사했을 때 에너지가 연속적이지 않고 양자화된 단위(quanta)로 흡수됨을 확인함으로써, 거시적 물체에서도 에너지 양자화가 일어남을 명확히 제시했다.

양자 칩 시대의 초석 놓은 연구

이번 수상은 단순한 물리학 이론의 확장을 넘어 ‘양자컴퓨터 시대의 초석을 놓은 연구’로 평가된다.

스웨덴 왕립과학원은 “이들의 발견은 ‘양자 현상을 전기 회로 위로 끌어올린’ 결정적 전환점이었다”고 설명했다.

이후 40년간 전 세계 연구자들은 이들의 원리를 기반으로 ‘양자 칩(Quantum Chip)’, 초전도 기반 양자컴퓨터(Superconducting Qubit Quantum Computer)를 개발해왔다.

실제로 오늘날 구글과 IBM 등이 추진 중인 초전도 큐비트 기술의 기초가 바로 이 연구에서 출발했다.

이 때문에 이번 수상은 학계에서 “양자컴퓨터의 뿌리”로 불리고 있다.

“인생 최고의 놀라움”… 존 클라크의 소감

수상 소식은 전화로 전해졌다.

현지 기자회견에 연결된 존 클라크 교수는 “이 상은 내 인생 최고의 놀라움이었다”며 “이 발견은 미셸 드브로에와 존 마르티네스 없이는 불가능했을 것”이라고 소감을 전했다.

그는 “우리의 연구가 오늘날 양자컴퓨터 발전의 기초가 되었다는 사실이 가장 감격스럽다”고 덧붙였다.

왕립과학원은 “양자 터널링과 에너지 양자화는 더 이상 원자의 영역에 머물지 않는다”며 “이들의 발견은 인류가 다가가는 ‘양자정보 시대(Quantum Information Era)’의 문을 연 연구”라고 밝혔다.