양자역학 탄생 100주년… 눈으로 볼 수 있게 증명한 ‘정통 물리학’

노벨 물리학상에 클라크 등 3명

‘저항 0’ 초전도체 전자회로로 실험
“암호·컴퓨터·센서 등 기술 발전 기여”

올해 노벨 물리학상 수상자로 선정된 존 클라크 미국 버클리 캘리포니아대(UC 버클리) 물리학과 명예교수가 7일(현지시간) 평생 캠퍼스 주차권을 받고 기뻐하고 있다(왼쪽). 클라크 교수와 함께 노벨 물리학상을 수상한 프랑스 국적의 미셸 드보레(가운데) 예일대 교수 겸 UC샌타바버라 교수와 존 마티니스(오른쪽) UC샌타바버라 교수. 마티니스 교수는 2023년 6월 한국에서 열린 ‘퀀텀 코리아 2023’ 행사에 참여하기도 했다. AFP·AP·노벨재단 제공

양자역학 탄생 100주년을 맞아 올해 노벨 물리학상은 눈으로 볼 수 있는 양자역학 효과를 연구한 3명의 학자에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학아카데미 노벨위원회는 7일(현지시간) 올해 노벨 물리학상 수상자로 존 클라크(83) 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 교수, 프랑스 국적의 미셸 드보레(72) 예일대 교수 겸 UC샌타바버라 교수, 존 마티니스(67) UC샌타바버라 교수를 선정했다고 밝혔다.

노벨위원회는 “세 명의 연구자는 전기회로에서 거시적 양자역학적 터널링과 에너지 양자화를 발견한 공로가 인정돼 올해 수상자로 선정됐다”고 밝혔다. 지난해 노벨 물리학상은 인공지능(AI) 분야에 수여되는 등 다소 파격이었지만 양자역학 탄생 100주년을 맞은 올해엔 정통 물리학자가 상을 받았다. 이번 수상자 중 드보레 교수는 현재 구글 퀀텀AI의 최고과학책임자(CSO)를 맡고 있으며, 마티니스 교수 역시 구글 퀀텀AI에서 하드웨어팀을 이끌던 리더다. 이로써 구글은 지난해 노벨 화학상에 이어 2년 연속 노벨상 수상자를 배출하며 새로운 노벨상 산실로 떠오르고 있다.

현대물리학의 주요 질문 중 하나는 양자역학 효과를 보여 줄 수 있는 시스템의 최대 크기가 어느 정도인가 하는 것이다. 지금까지 눈에 보이지 않는 세상에서만 가능하다고 여겨져 왔던 양자역학 원리를 올해 물리학상 수상자들은 손에 들 수 있을 만큼 충분히 큰 시스템인 전기회로로 실험해 양자 터널링과 에너지 양자화를 모두 증명해 냈다.

수상자 3명은 1984~1985년 전기저항이 0인 물질인 ‘초전도체’로 만든 전자회로를 이용해 실험했다. 이들은 두 개의 초전도체 사이에 나노미터 두께의 매우 얇은 절연체 막을 끼워 넣은 ‘조지프슨 접합’ 구조물을 만들었다. 조지프슨 접합은 양자 터널링이라는 특별한 현상 때문에 양자 컴퓨터에서 핵심적 역할을 한다. 이들은 회로의 여러 특성을 정밀 설계하고 측정해 전류를 흘렸을 때 나타나는 현상을 살펴볼 수 있었다. 이들은 또 초전도체 안을 움직이는 많은 전하 입자가 마치 ‘회로 전체를 채운 하나의 거대한 입자’처럼 함께 움직이는 시스템을 만들었다.

이 거대 입자 같은 시스템은 처음에 전류는 흐르지만 전압이 0인 상태에 갇혀 있게 된다. 그런데 상태가 바뀌면 터널링을 통해 전압이 0인 상태에서 빠져나오게 된다. 양자 터널링은 고전물리학 관점에서는 절대 일어날 수 없는 일로, 미시 세계의 입자가 에너지 장벽을 뚫고 지나가는 현상이다. 많은 수의 입자가 함께 움직일 때는 보통 양자 효과가 눈에 띄지 않게 되는데 이번 수상자들은 눈으로 볼 수 있는 거시적 규모에서 전압 변화를 측정해 관찰한 것이다. 동시에 이 시스템을 통해 에너지를 아무 값이나 흡수, 방출하는 것이 아니라 특정한 양으로만 주고받는 ‘에너지의 양자화’ 관측에도 성공했다.

노벨위원회는 “이번 수상으로 올해 100주년이 되는 양자역학 탄생을 기념할 수 있어 기쁘다. 한 세기가 지난 학문임에도 여전히 놀라움을 준다”며 “양자역학은 모든 디지털 기술의 토대이기 때문에 활용도가 많고, 올해 물리학상 수상자들의 연구는 양자 암호, 양자 컴퓨터, 양자 센서 같은 차세대 양자 기술을 발전시킬 수 있게 해 준다”고 설명했다.

노벨 물리학상 수상자들은 1100만 스웨덴 크로나(약 16억 5440만원)를 3분의1씩 나눠 갖는다.

유용하 과학전문기자