초전도 회로에서 ‘양자 터널링’ 입증한 3인, 노벨 물리학상 수상. 댓글 (2 )

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

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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.

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양자역학 100년, ‘터널링’의 새로운 장 열다

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

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

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

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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.

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초전도 회로에서 일어난 ‘거시적 양자 터널링’

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

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

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

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

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

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양자 칩 시대의 초석 놓은 연구

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

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