2025년 노벨 물리학상, ‘손에 잡히는 양자역학’의 새로운 지평을 열다

양자역학, 거시 세계를 탐험하다

올해 노벨 물리학상은 손에 잡히는 거시적 세계에서도 각종 양자역학 현상들을 관측할 수 있다고 증명한 과학자 3명에게 돌아갔다. 이들의 연구는 양자컴퓨터, 양자암호 등 양자역학 원리를 이용한 차세대 기술을 개발하는 데 새로운 길을 열었다는 평가를 받는다. 스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회는 올해 노벨 물리학상 수상자로 존 클라크, 미셸 데보레, 존 마티니스 교수를 선정했다.

 

 

 

 

양자 터널링 현상, 미시 세계의 신비

양자역학은 원자핵이나 전자 같이 원자보다 작은 미시 세계를 설명하는 믈리학 분야이다. 양자역학은 미시 세계에서는 입자가 동시에 여러 상태에 존재하는 양자 중첩 현상이나, 멀리 떨어져 있어도 연결된 것처럼 행동하는 양자 얽힘 현상이 있다고 설명한다. 올해 노벨 물리학상을 받은 세 과학자는 지난 1984~1985년 진행한 실험을 통해 인간이 보고 만질 수 있는 거시 세계에서도 양자역학을 관측할 수 있음을 증명했다. 세 사람은 눈으로 보고 손으로 쥘 수 있을 정도 크기의 전기 회로를 가지고 실험을 진행했다. 이 회로는 저항이 0인 초전도체 사이에 작은 절연층을 넣은 ‘조셉슨 접합’이다.

 

 

 

 

양자컴퓨터 시대를 열다

노벨위원회는 “이들의 연구가 양자컴퓨터뿐 아니라 해킹이 불가능한 양자암호, 초정밀 계측이 가능한 양자센서 등 차세대 양자 기술 개발의 문을 열었다”고 평가했다. 특히 세 과학자가 이용한 초전도 회로는 오늘날 양자컴퓨터의 기본 연산 단위인 ‘큐비트(qubit)’를 만드는 핵심 기술의 원형이 됐다. 기존 컴퓨터는 전자가 없거나 있는 것을 0과 1, 즉 1비트(bit) 단위로 표현한다. 이에 비해 양자컴퓨터의 단위는 0과 1 상태가 중첩된 큐비트이다. 일반 컴퓨터가 2비트이면 00, 01, 10, 11 네 가지 중 하나가 되지만, 2큐비트는 네 가지가 동시에 다 가능하다.

 

 

 

 

구글, 양자 우위 달성

마티니스 교수는 초전도 큐비트를 이용해 양자컴퓨터를 개발하기 위해 2014년 구글에 합류했다. 그가 이끈 구글 인공지능(AI) 연구진은 2019년 10월 국제 학술지 ‘네이처’에 현존 최고의 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸릴 난수 증명 문제를 양자컴퓨터로 200초 만에 해결했다고 발표했다. 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터를 능가하는 이른바 ‘양자 우위’가 처음으로 달성된 순간이었다.

 

 

 

 

노벨상, 과학적 업적을 잇다

올해 노벨 물리학상 수상자들의 업적은 앞선 노벨상 수상자들의 연구를 발전시켰다. 이들은 초전도체 회로 실험으로 양자 터널링 현상을 발견했다. 초전도 현상은 1911년 네덜란드의 물리학지인 헤이커 카메를링 오너스가 섭씨 영하 269도에서 처음 발견했다. 그는 이 공로로 1923년 노벨 물리학상을 받았다. 미국 물리학자인 존 바딘과 레온 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼는 1957년 자신들의 이름을 첫 글자를 딴 이른바 BCS 이론으로 초전도 현상을 설명했다.

 

 

 

 

미래를 향한 과학 기술

올해 수상자들은 이번에 초전체 회로에서 전자들이 BCS 이론을 확립한 레온 쿠퍼의 이름을 딴 이른바 ‘쿠퍼 쌍’을 이뤄 마치 회로 전체를 채운 ‘단일 입자’처럼 행동하고, 절연체 장벽을 뚫고 반대편으로 이동하는 양자 터널링 현상을 보인다는 사실을 확인했다. 또한 회로가 특정한 양의 에너지만 흡수·방출하는 에너지 양자화도 관측했다. 일반 전도체 회로에선 전자들이 서로 부딪힌다. 전자는 강한 배타성을 지니며 서로 거리를 유지하려 한다. 원자에서 전자들은 서로 다른 에너지 준위로 나뉜다. 반면 초전도체 회로에서 전자들이 쿠퍼 쌍을 이루고 전기저항이 없는 전류를 형성한다.

 

 

 

 

핵심 요약: 양자역학의 새로운 가능성을 열다

2025년 노벨 물리학상은 ‘손에 잡히는 양자역학’을 증명한 과학자들에게 돌아갔습니다. 이들의 연구는 양자컴퓨터, 양자암호 등 차세대 기술 개발의 문을 열었고, 특히 구글의 ‘양자 우위’ 달성은 획기적인 사건으로 평가받고 있습니다. 앞으로 양자 기술이 우리 삶에 어떤 영향을 미칠지 기대가 됩니다.

 

 

 

 

자주 묻는 질문

Q.양자역학은 무엇인가요?

A.양자역학은 원자보다 작은 미시 세계를 설명하는 물리학 분야입니다. 입자의 중첩, 얽힘 등 독특한 현상을 다룹니다.

 

Q.양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 무엇이 다른가요?

A.양자컴퓨터는 큐비트를 사용하여 0과 1을 동시에 표현할 수 있어, 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 복잡한 연산을 수행할 수 있습니다.

 

Q.앞으로 양자 기술은 어떻게 활용될까요?

A.양자컴퓨터, 양자암호, 양자센서 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 예상됩니다. 특히, 해킹 불가능한 보안 기술과 초정밀 계측 기술 발전에 기여할 것입니다.