2025년 노벨 물리학상: 미시에서 거시로의 양자역학

양자역학이 발견된 지 정확히 100년 후인 2025년 노벨 물리학상은 이상한 양자 효과가 대규모로 발생할 수 있음을 입증하여 양자 기술의 새로운 시대를 연 세 명의 미국 과학자에게 수여되었습니다.

과학자 존 클라크, 미셸 H. 데보레, 존 M. 마티니스가 10월 7일 스웨덴 스톡홀름에서 열린 기자회견에서 올해의 노벨 물리학상 수상자로 발표되었습니다. - 사진: REUTERS

1925년, 물리학자 하이젠베르크, 슈뢰딩거, 디랙은 양자역학을 발견했습니다. 이는 세상을 바꿀 이상한 발견이었습니다.

정확히 100년 후인 2025년 노벨 물리학상은 양자 터널링 효과(이상한 미시적 양자 효과)를 거시적 세계로 가져와 많은 획기적인 응용 분야를 개척한 세 명의 미국 물리학자에게 수여되었습니다.

수 세기 동안 이어져 온 양자역학이 끊임없이 새로운 놀라움을 선사하는 방식을 기념할 수 있어 기쁩니다. 또한 양자역학은 모든 디지털 기술 의 기반이기 때문에 매우 유용합니다.

올레 에릭손(노벨 물리학 위원회 위원장, 연설)

터널링 효과의 획기적인 발견

노벨 위원회의 발표에 따르면, 존 클라크, 미셸 H. 드보레, 존 M. 마티니스 등 세 명의 미국 물리학자가 "전기 회로에서 거시적 양자 터널링 효과와 에너지 양자화의 발견"으로 2025년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

올해의 상은 1984년과 1985년에 초전도 회로에서 수행한 일련의 실험을 기리는 것입니다. 이 실험은 "터널링" 현상(입자가 양자 역학에서만 발생할 수 있는 장벽을 통과하는 현상)이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 큰 규모에서 발생할 수 있음을 보여주었습니다.

존 클라크 교수는 1968년 케임브리지 대학교에서 박사 학위를 받았으며, 1969년부터 캘리포니아 대학교 버클리에서 물리학 교수로 재직하고 있습니다. 그는 현재 같은 대학 대학원의 명예교수입니다.

파리에서 태어나 그곳에서 박사학위를 받은 미셸 H. 드보레는 예일대학교 예일 양자연구소의 응용물리학 명예교수입니다.

존 M. 마티니스는 캘리포니아 대학교 버클리에서 박사 학위를 받았습니다. 대학에서 강의를 마친 후, 그는 가장 최근에는 구글의 양자 AI 그룹에서 근무했습니다.

1980년대 중반, 드보레 씨는 클라크 씨의 연구 그룹에 박사후 연구원으로 합류하여 그의 박사과정 학생인 마티니스와 함께 연구했습니다. 두 사람은 거시적 수준에서 양자 터널링 효과를 입증하는 과제를 함께 수행했습니다.

세 과학자는 실험을 통해 초전도체를 이용하여 저항 없이 전류를 흐르게 할 수 있는 회로를 만들었습니다. 회로의 특성을 조정하고 측정함으로써, 그들은 발생하는 현상을 제어할 수 있었습니다. 초전도체를 통과하는 대전 입자들은 마치 전체 회로를 채우는 단일 입자처럼 행동하는 시스템을 형성했습니다.

이 입자 시스템은 처음에는 전압 없이 전류가 흐르는 상태이며, 마치 통과할 수 없는 장벽에 막힌 것처럼 보입니다.

실험에서 시스템은 양자 터널링 효과를 통해 이 상태를 벗어나 양자적 특성을 보였습니다. 세 명의 과학자는 또한 이 시스템이 양자화되어 특정 양의 에너지만 흡수하거나 방출한다는 것을 증명했습니다.

양자역학적 터널링 효과 예시: 공을 벽에 던지면 튕겨져 나갑니다. 하지만 미세한 입자를 던지면 벽을 통과합니다. 이 효과는 입자가 많을수록 약해지므로, 일상생활에서 누군가가 벽을 통과하는 모습을 볼 수 없는 것입니다. - 사진: 요한 야르네스타드/스웨덴 과학 아카데미

양자 기술의 길을 열다

이 실험은 양자역학의 이해에 중요한 의미를 지닙니다. 이전에는 거시적인 양자역학 효과가 레이저, 초전도체, 초유체와 같은 현상을 생성하기 위해 여러 미시 입자가 결합되는 과정을 거쳤습니다. 그러나 올해 노벨 물리학상을 수상한 세 명의 물리학자들의 실험은 직접적인 거시적 효과를 만들어냈습니다.

이러한 유형의 거시적 양자 상태는 미시 세계를 지배하는 현상을 이용하는 실험에 새로운 가능성을 열어줍니다. 이는 다른 양자계 연구를 시뮬레이션하고 지원하는 데 사용되는 일종의 대규모 인공 원자로 볼 수 있습니다.

중요한 응용 분야 중 하나는 마티니스가 나중에 구현한 양자 컴퓨터였습니다. 그는 자신과 두 명의 공동 노벨상 수상자들이 시연했던 에너지 양자화를 그대로 사용했습니다. 즉, 양자화된 상태를 갖는 회로를 양자 비트 또는 큐비트로 사용했는데, 가장 낮은 에너지 상태는 0이고 가장 높은 에너지 상태는 1이었습니다.

초전도 회로는 양자 컴퓨터 구축을 위한 연구 기술 중 하나입니다. 마티니스는 2014년부터 2020년까지 구글 양자 컴퓨팅 연구 그룹의 책임자를 역임했습니다.

클라크 씨는 그들의 연구가 휴대전화의 탄생과 같은 기술 발전의 토대를 마련하는 데 기여했다고 말했습니다. 노벨 위원회는 또한 "휴대전화, 카메라, 그리고 광섬유 케이블을 포함하여 오늘날 양자역학에 기반하지 않은 첨단 기술은 없다"고 단언했습니다.

물리학과 화학이 양자 "터널"에서 만날 때

2025년 노벨 물리학상은 40년 전 양자역학 분야의 발견으로 세 명의 과학자에게 수여되었습니다. 유네스코가 2025년을 세계 양자 과학 기술의 해로 선정했기 때문에 이러한 결과는 그리 놀랍지 않습니다.

노벨 위원회는 "양자역학은 모든 디지털 기술의 기초입니다. 그들의 실험은 양자 원리에 기반한 새로운 기술 발전의 토대를 마련했습니다."라고 밝혔습니다.

이 세 물리학자는 터널링 효과를 발견하고 전기 회로의 에너지 점프를 결정했습니다. 터널링 효과는 곧 많은 화학 반응을 설명하는 핵심 개념이 되었습니다.

이는 하이반 고개를 통과할 때와 비슷하다고 상상해 볼 수 있습니다. 반응물은 종종 매우 높은 에너지로 "고개를 올라야" 하지만 때로는 "터널을 통과"하여 에너지 장벽을 더 빨리 극복하고 반응을 생성합니다.

터널링은 대학 수준의 화학 반응 속도론 교과서에서 가르치고, 반응 속도 상수를 계산할 때 양자 방법을 사용하여 모델링합니다. 물리학과 화학은 다시 한번 훌륭하게 융합됩니다.

Nguyen Minh Tho 교수 - 벨기에 KU Leuven 대학교 명예교수

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응우옌 트룽 단 박사

출처: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm