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- 초전도체 실험, 회로에서 최초로 양자 터널링 입증
- 1984년과 1985년에 캘리포니아 대학교 버클리에서 고안하고 수행한 실험을 통해 달성
- 연구 결과는 양자 컴퓨터 및 양자 센서와 같은 새로운 기술의 토대를 마련

거시적 양자 터널링으로 노벨 물리학상 수상
초전도체 실험, 회로에서 최초로 양자 터널링 입증

2025년 노벨 물리학상은 양자 터널링이 거시적 규모에서도 가능하다는 것을 최초로 증명한 세 명의 물리학자에게 수여된다. 존 클라크(John Clarke), 미셸 드보레(Michel Devoret), 존 마티니스(John Martinis)는 실험을 통해 초전도 회로에서 결합된 입자가 장벽을 터널링할 수 있으며, 이 회로가 양자화된 방식으로 반응한다는 것을 보여주었다. 이 발견은 양자 컴퓨터 및 양자 센서와 같은 기술의 토대를 마련했다. 

▲ 2025년 노벨 물리학상 수상자 3명은 양자 터널링이 거시적 규모에서 가능하다는 것을 처음으로 증명했다. © Johan Jarnestad/스웨덴 왕립 과학 아카데미

양자 물리학에는 거시적 세계와 다른 법칙이 적용된다. 예를 들어, 일상 세계의 벽은 공이 통과할 수 없지만, 양자 세계에서는 다르다. 원자와 기타 미시 입자는 일반적으로 투과할 수 없는 이러한 벽을 통과할 수 있다. 이들은 에너지 또는 물리적 장벽을 터널링한다.

이는 양자 입자의 위치와 거동이 확률에 의해 결정되기 때문에 가능하다. 입자의 위치를 ​​정확하게 결정할 수 없기 때문에, 입자가 장벽 너머에 있을 확률은 작지만 일정하다.

▲ 우리의 일상 세계에서는 공이 벽을 통과할 수 없다. 그러나 양자 세계에서는 공이 벽을 터널링하여 통과할 수 있다. © Johan Jarnestad/스웨덴 왕립 과학 아카데미

두 개의 초전도체와 하나의 장벽

하지만 이 양자 터널링은 어느 정도 크기까지 가능할까?
올해 노벨 물리학상 수상자들은 이 양자 물리 효과가 거시적인 규모에서도 가능하다는 것을 처음으로 증명했다. 이는 존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스가 1984년과 1985년에 캘리포니아 대학교 버클리에서 고안하고 수행한 실험을 통해 달성되었다.

이 실험의 핵심 요소는 조셉슨 접합, 즉 전기 절연체로 만들어진 얇은 장벽으로 분리된 두 초전도체의 배열이었다. 초전도체의 특징은 저항 없이 전기를 전도할 수 있다는 것이다. 이러한 물질 내의 전자들은 결합하여 소위 쿠퍼 쌍을 형성한다. 이 쌍에서 전자들은 동일한 양자 상태를 공유하므로 저항 없이 하나의 단위로 움직일 수 있다.

전압이 양자 터널링을 증명

이 실험을 위해 물리학자들은 이 조셉슨 접합에 약한 전류를 흘려보내고 전압을 측정했다. 두 초전도체 모두 장벽에 의해 분리되어 있기 때문에 전류는 흐르지 않아야 하며, 전압은 0V여야 한다. 하지만 실제로는 그렇지 않았다. 장벽에도 불구하고 측정 장비는 작지만 명확하게 존재하는 전압을 나타냈다. 연구진은 가능한 간섭으로부터 배열을 차폐하고 다양한 온도에서 측정을 반복함으로써 측정된 효과가 실제임을 확인했다.

이러한 실험들은 "손으로 잡을 수 있을 만큼 큰" 초전도 회로가 충분히 절연될 수 있고 거시적인 규모에서 양자 터널링을 나타낼 수 있음을 의심의 여지 없이 처음으로 증명했다. 초전도체를 통과하는 하전 입자는 단일 단위처럼 행동하여 절연 장벽을 극복하고 전체 회로를 채웠다.

▲ 실험의 초전도 회로에서 쿠퍼 전자쌍은 장벽을 통과하여 전체 회로를 감싸는 하나의 큰 입자처럼 반응한다. © Johan Jarnestad/스웨덴 왕립 과학 아카데미

클라크, 드보레, 마티니스는 또한 이 시스템이 양자역학에서 예측한 대로 행동한다는 것을 보여주었다. 즉, 양자화되어 특정 양의 에너지만 흡수하거나 방출한다.

양자 컴퓨터 및 기타 기술의 기초

"수 세기 된 양자역학이 계속해서 새로운 놀라움을 선사하고 있다는 사실을 다시 한번 축하합니다."라고 노벨 물리학 위원회 위원장인 올레 에릭손(Olle Eriksson)은 말했다. 세 명의 수상자의 연구는 거시적 회로, 즉 모든 디지털 기술의 기반을 형성하는 기술에서 양자 물리 현상에 대한 심층 연구의 토대를 마련했다.

동시에 클라크, 드보레, 마티니스의 연구 결과는 양자 컴퓨터 및 양자 센서와 같은 새로운 기술의 토대를 마련했다. 오늘날 많은 양자 컴퓨터에서 초전도 양자점은 양자 비트, 즉 양자 컴퓨터의 기본 계산 단위로 사용된다. 양자화된 에너지 준위 덕분에 이러한 큐비트로 0과 1을 표현할 수 있다.

출처: 스웨덴 왕립 과학 아카데미

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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