"전기 회로에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화 발견"

올해 노벨 물리학상의 영예는 양자역학이 눈에 보이지 않는 미시세계의 전유물이 아님을 증명한 세 명의 미국 대학 소속 과학자들에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 7일(현지시간) 존 클라크(83) UC버클리 교수, 미셸 데보럿(72) 예일대 및 UC 샌타바버라 교수, 존 마티니스(67) UC 샌타바버라 교수를 올해 노벨 물리학상 수상자로 선정했다고 발표했다.

수상 사유는 "전기 회로에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화의 발견"이었다.

이들의 연구는 '양자 현상이 얼마나 큰 체계에서까지 나타날 수 있는가'라는 물리학의 오랜 질문에 답을 제시했다.

세 과학자는 1984년부터 1985년 사이에 진행한 일련의 실험에서 초전도체 소자를 이용해 손에 쥘 수 있을 만큼 큰 전기 회로 시스템 전체가 마치 하나의 거대한 입자처럼 양자역학적으로 작동하는 것을 관측했다.

이는 양자역학의 법칙들이 원자 수준을 넘어 거시 세계에서도 구현될 수 있음을 최초로 입증한 사례다.

왼쪽부터 존 클라크(83) UC버클리 교수, 미셸 데보럿(72) 예일대 및 UC 샌타바버라 교수, 존 마티니스(67) UC 샌타바버라 교수.

실험의 핵심은 '조셉슨 접합'이라는 특수 장치를 이용한 것이다. 연구팀은 저항이 0인 초전도체 사이에서 얇은 절연층을 삽입한 이 회로에 전류를 흘려보냈다. 고전물리학에 따르면 에너지 장벽에 갇힌 입자는 장벽을 넘어갈 수 없지만, 이 거대 시스템은 마치 벽을 통과하듯 장벽을 뚫고 나가는 '양자 터널링' 현상을 보였다.

또 이 시스템은 연속적인 값이 아닌 사다리처럼 띄엄띄엄 떨어진 특정 값의 에너지만을 흡수하고 방출하는 '에너지 양자화' 특성도 보였다.

이들 발견은 순수 이론과 미시세계에 머물던 양자역학을 공학의 영역으로 끌어오는 결정적 계기가 됐다. 수상자들의 연구에서 사용된 초전도 회로는 오늘날 가장 유력한 양자컴퓨터의 기본 단위인 '큐비트'를 만드는 핵심 기술의 원형이 됐다.

노벨위원회는 "수상자들의 실험은 칩 위에서 작동하는 양자 물리학을 드러냈다"며 "100년 된 양자역학이 계속해서 새로운 놀라움을 선사한다는 사실을 축하할 수 있어 기쁘다"고 밝혔다. 또 이들의 연구가 양자컴퓨터뿐 아니라 해킹이 불가능한 양자 암호, 초정밀 계측이 가능한 양자 센서 등 차세대 양자 기술 개발의 문을 열었다고 평가했다.

올헤는 유엔이 지정한 '국제 양자과학 및 기술의 해'다. 이 때문에 양자 컴퓨팅이나 양자 물리학 관련 연구가 노벨 물리학상을 받을 가능성이 높다는 전망이 나왔었다.

한편 수상자들은 1100만 스웨덴 크로나(약 13억 원)의 상금을 3분의 1씩 나눠 받게 된다. 영국 케임브리지 태생인 클라크 교수는 초전도양자간섭장치(SQUID) 분야의 세계적 권위자이며, 프랑스 파리 출신인 데보렛 교수는 회로 양자전기역학 분야를 개척했다. 마티니스 교수는 구글의 양자컴퓨터 팀을 이끌며 '양자 우월성'을 입증한 연구로 명성을 얻었다.