올해 노벨물리학상에 ‘양자역학 연구’ 클라크·드보레·마티니스

양자 터널링 현상을 전기 회로 실험에 적용

올해 노벨물리학상 수상자로 선정된 존 클라크·미셸 드보레·존 마티니스. EPA연합뉴스

올해 노벨물리학상은 ‘양자 역학’ 분야 과학자 3명에게 돌아갔다. 이들의 연구는 현재 컴퓨터 마이크로칩에 활용되고 있으며, 미래에는 양자 컴퓨터·암호통신 등에 널리 쓰일 것으로 기대된다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 7일(현지시간) 존 클라크(83·영국) 캘리포니아대 버클리캠퍼스 교수와 미셸 드보레(72·프랑스) 캘리포니아대 샌타바버라캠퍼스 및 예일대 교수, 존 마티니스(67·미국) 캘리포니아대 샌타바버라캠퍼스 교수를 올해 노벨물리학상 공동 수상자로 선정했다고 발표했다.

이들은 ‘양자 역학적 터널링 현상’을 손에 쥘 수 있을 정도로 덩치가 큰 전기 회로에서 구현한 공로를 인정받았다.

양자 터널링이란 개념은 독특하다. 비유하면 이렇다. 일상에서 우리가 자전거를 타고 높은 언덕 너머로 이동해야 할 때, 다리 힘이 모자라면 자전거는 언덕을 넘지 못하고 결국 언덕 아래 방향으로 굴러떨어지기 마련이다. 고전물리학적 개념이다. 바로 우리가 아는 상식적인 일이 일어나는 세상이다.

하지만 아주 작은 입자를 다루는 양자 터널링 개념을 적용하면 상황이 크게 달라진다. 양자역학에서는 전자처럼 작은 입자가 알갱이일 뿐만 아니라 물결 같은 파동의 성질도 동시에 가진다고 본다. 이 파동 일부는 담장 너머까지 스며든다. 이 현상은 벽에 터널이 생긴 듯한 효과를 낸다. 자전거를 탄 사람이 굳이 다리 힘을 써가며 언덕을 힘겹게 올라가지 않아도 터널을 통과해 간단히 언덕 너머로 이동할 수 있는 격이다.

클라크와 드보레, 마티니스는 양자 터널링을 실험으로 입증했다. 저항 없이 전류를 흐르게 하는 초전도체 기반의 전기회로를 만들어 1984년과 1985년 일련의 실험을 수행했다. 실험 결과, 초전도체를 통과한 입자들은 전기회로 내부 구획 안에 갇혀 있지 않고, 구획 내외부를 넘나들었다. 양자 터널링 원리는 물론 양자 터널링이 제법 큰 전기회로 단위에서도 생긴다는 점을 보여준 것이다.

정연욱 성균관대 나노공학과 교수는 “양자역학은 원자 세계를 다루는 일이라고만 생각하기 쉽지만, 수상자들은 마이크로칩에 양자역학을 활용할 수 있다는 점을 증명했다”고 설명했다.

올레 에릭슨 노벨위원회 위원장은 “올해는 양자역학 개념이 탄생한 지 100년이 되는 시점”이라며 “양자역학은 모든 디지털 기술의 근간이 되고 있다”고 설명했다. 기존 어떤 슈퍼컴퓨터보다 빠른 속도로 계산하는 양자 컴퓨터, 도청이나 해킹이 불가능한 양자 암호통신, 그리고 자기장·전기장·온도 등의 미세한 변화를 잡아내는 양자 센서 등의 보급이 코앞으로 다가와 있다. 이 같은 혁신적 기술이 이번 노벨물리학상 수상자의 연구에서 시작한 것이다.

수상자에게는 총 1100만크로나(약 16억5000만원)의 상금이 주어진다. 상금은 수상자 3명에게 균등하게 배분된다. 노벨위원회는 오는 8일 화학상, 9일 문학상, 10일 평화상, 13일 경제학상 수상자를 발표할 예정이다.

이정호 기자 run@kyunghyang.com