2025년 노벨 물리학상: '양자 세계'가 가시화될 때

오랫동안 양자 세계는 입자가 장애물을 통과하고, 동시에 두 가지 상태로 존재하며, 인간 직관의 모든 법칙을 거스르는 "이상한" 공간으로 여겨져 왔습니다. 그러나 존 클라크, 미셸 H. 드보레, 존 M. 마티니스 세 명의 과학자는 미시적인 실험실에서만 존재하던 것을 육안으로 볼 수 있는 전기 회로에서 실체화했습니다.

10월 7일, 존 클라크, 미셸 H. 데보레, 존 M. 마티니스 등 세 명의 과학자가 "거시적 스케일에서의 양자역학적 터널링 효과와 전기 회로에서의 에너지 양자화"를 발견한 공로로 2025년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 수상자는 1,100만 스웨덴 크로나(미화 약 117만 달러) 상당의 상금을 공동 수상하게 됩니다.

양자역학은 원자와 전자의 미시적 세계를 지배합니다. 여기서 전자는 에너지 장벽을 "침투"하여 양자라고 불리는 고정된 양의 에너지만 흡수할 수 있습니다.

인간 세계의 거시적 차원에서는 이러한 효과가 사라지는 것처럼 보입니다. 예를 들어, 수많은 원자로 이루어진 공은 결코 벽을 통과할 수 없습니다.

이에 호기심을 느낀 캘리포니아 대학의 과학자 클라크, 데보레, 마티니스는 1980년대에 육안으로 볼 수 있을 만큼 큰 크기의 양자 법칙이 존재하는지 여부를 시험하기 시작했습니다.

이를 시험하기 위해 그들은 조셉슨 회로를 만들었습니다. 이 회로는 두 개의 초전도체가 초박막 절연층으로 분리된 것입니다. 일반 금속에서는 전자가 재료와 충돌하고 서로 충돌하지만, 절대 영도에 가깝게 냉각된 초전도체에서는 전자들이 쿠퍼 쌍을 형성하여 저항 없이 동시에 움직이고 단일 양자 파동 함수를 공유합니다.

연구팀이 회로를 0전압으로 유지했을 때, 고전 물리학에 따르면 회로는 정지 상태를 유지해야 했습니다. 그러나 연구 결과, 회로가 때때로 갑자기 "탈출"하는 현상이 나타났습니다. 열 때문이 아니라 에너지 장벽을 통과하는 양자 터널링 때문입니다. 이는 거시적 세계에서 양자 법칙이 여전히 존재한다는 최초의 직접적인 증거였습니다.

다음으로, 세 과학자는 회로를 마이크로파에 노출시켰을 때 특정 주파수에서 날카로운 공명 피크를 관찰했습니다. 각 피크는 두 양자화된 상태 사이의 에너지 차이에 해당하는데, 이는 회로의 에너지가 불연속적인 값만 가질 수 있음을 나타냅니다. 다시 말해, 수십억 개의 전자로 구성된 장치가 단일 양자 시스템처럼 행동하고 있었던 것입니다.

이 실험 이전에는 양자 터널링과 에너지 양자화 효과가 원자와 아원자 입자에서만 관찰되었습니다.

노벨 위원회 위원인 에바 올슨 여사는 과학자 존 클라크, 미셸 H. 드보레, 존 M. 마티니스 3인조의 연구 업적을 "다른 세계로의 문을 연 것"이라고 평가했습니다.

"양자 현상이 거시적 규모로 확대되면 우리는 그것을 만지고, 제어하고, 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 완전히 새로운 구조와 기술의 문이 열립니다."라고 그녀는 말했습니다.

한편, 노벨 물리학 위원회 위원장인 올레 에릭손 씨는 이 증명을 양자역학이 매우 유용하며 현재 모든 디지털 기술의 기초라고 불렀습니다.

클라크, 데보레, 마티니스라는 세 과학자의 발견은 양자 컴퓨터의 기초를 마련했습니다.

1990년대 후반, 과학자들은 선구적인 3인조가 보여준 에너지 원리를 바탕으로 양자 정보 단위인 양자 비트(큐비트)를 개발했습니다.

마티니스 씨는 나중에 이 방법을 적용하여 최초의 초전도 양자 프로세서를 만들었는데, 여기서 큐비트는 정교한 양자 중첩 상태에서 "0"과 "1" 사이에서 섬세하게 진동할 수 있습니다.

노벨 위원회에 따르면, 오늘날 컴퓨터 마이크로칩의 트랜지스터는 양자역학이 일상 기술의 기초가 되어 양자 암호화, 양자 컴퓨터, 양자 센서를 포함한 차세대 양자 기술의 기초를 마련한 사례입니다.

(TTXVN/베트남+)

출처: https://www.vietnamplus.vn/giai-nobel-physics-2025-khi-the-gioi-luong-tu-tro-nen-huu-hinh-post1068919.vnp