양자의 기묘함

존 클라크(John Clarke), 미셸 H. 데보레(Michel H. Devoret), 존 마티니스(John Martinis)는 마이크로칩 위에 전기 회로 기반 발진회로(oscillator)를 만들었다. 2017년 IBM이 제작한, 4개의 트랜스몬 큐비트(transmon qubit), 4개의 양자 버스, 4개의 판독 공진기(readout resonator)로 구성된 장치. 출처: ay M. Gambetta, Jerry M. Chow & Matthias Steffen/CC BY 4.0

2025년 노벨 물리학상은 수상자로 선정되었다. 존 클라크, 미셸 H. 데보레, 존 M. 마티니스에게 "전기 회로에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화의 발견" 공로로 상이 수여되었다. 노벨 위원회는 기자회견에서 수상자들의 연구가 "양자 암호, 양자 컴퓨터, 양자 센서를 포함한 차세대 양자 기술"을 개발할 기회를 제공한다고 밝혔다. 세 사람은 110만 달러(1,100만 스웨덴 크로나) 상금을 나눠 갖는다. 시상식은 2025년 12월 10일 스톡홀름에서 열린다.

"과장해서 말하자면, 내 인생 최고의 놀라움이었습니다." 클라크는 오늘 오전 기자회견에서 전화로 기자들에게 이렇게 말했다. "우리의 발견은 어떤 면에서 양자 컴퓨팅의 기초입니다. 지금 이 순간 이것이 어디에 위치하는지는 저에게도 명확하지 않습니다. 휴대전화가 작동하는 근본적인 이유 중 하나가 바로 이 연구 덕분입니다."

물리학자들이 20세기 초 아원자 입자의 기묘한 새 세계를 파고들었을 때, 그들은 고전 물리학의 오래되고 결정론적인 법칙이 더 이상 적용되지 않는 영역을 발견했다. 대신 불확실성이 지배하는 세계였다. 절대적인 것이 아니라 확률이 지배하는 세계에서, 거시적 관점에서 불가능해 보이는 사건들이 빈번하게 일어난다.

예를 들어 아원자 입자는 뚫고 지나갈 수 없어 보이는 에너지 장벽을 '터널링'할 수 있다. 전자가 높은 장벽을 넘으려는 물결파라고 상상해 보라. 물과 달리 전자의 파장이 장벽보다 짧더라도 반대편으로 스며들 확률은 여전히 존재한다. 이런 기묘한 현상은 실험적으로 여러 차례 검증되었다. 1950년대 물리학자들은 전자 흐름이 에너지 장벽에 부딪혀 그 장애물을 넘을 충분한 에너지가 없어 멈추는 시스템을 고안했다. 그러나 일부 전자는 기존 행동 법칙을 따르지 않았다. 그들은 그냥 에너지 장벽을 통과해 버렸다.

(왼쪽부터) 존 클라크, 미셸 H. 데보레, 존 M. 마티니스. 출처: Niklas Elmehed/Nobel Prize Outreach

아원자에서 거시적 세계로

클라크, 데보레, 마티니스는 양자 터널링과 에너지 양자화 같은 양자 효과가 입자 하나씩이 아니라 거시적 규모에서 작동할 수 있음을 최초로 입증했다. 케임브리지 대학교에서 박사 학위를 받은 클라크는 박사후연구원으로 캘리포니아 대학교 버클리에 왔고, 1969년에 교수진에 합류했다. 1980년대 중반 데보레와 마티니스가 각각 박사후연구원과 대학원생으로 클라크의 연구실에 합류했다. 세 사람은 조셉슨 접합(Josephson junction)이라는 특수 회로를 이용해 거시적 양자 터널링의 증거를 찾기로 했다. 조셉슨 접합은 현재 양자 컴퓨팅, 양자 센싱, 암호학에서 널리 사용되는 터널링 효과를 활용하는 거시적 장치다.

조셉슨 접합은 1973년 노벨 물리학상을 받은 영국 물리학자 브라이언 조셉슨(Brian Josephson)의 이름을 따서 명명되었으며, 기본적으로 절연 장벽으로 분리된 두 개의 반도체 조각이다. 두 도체 사이에 작은 틈이 있음에도 전자는 여전히 절연체를 터널링하여 전류를 생성할 수 있다. 이는 접합이 초전도 상태가 되어 전자가 소위 '쿠퍼 쌍(Cooper pairs)'을 형성하는 충분히 낮은 온도에서 발생한다.

연구팀은 약 1센티미터 크기의 마이크로칩 위에 전기 회로 기반 발진회로를 구축했다. 이는 본질적으로 고전적 진자의 양자 버전이었다. 그들의 가장 큰 도전 과제는 실험 장치의 잡음을 줄이는 방법을 찾는 것이었다. 실험을 위해 그들은 먼저 접합에 약한 전류를 공급하고 전압을 측정했다. 초기에는 전압이 0이었다. 그런 다음 전류를 증가시키고 시스템이 둘러싸인 상태에서 터널링하여 전압을 생성하는 데 걸리는 시간을 측정했다.

출처: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

그들은 여러 차례 측정한 결과, 예상대로 장치의 온도가 떨어질수록 평균 전류가 증가함을 발견했다. 그러나 어느 시점에서 온도가 너무 낮아져 장치가 초전도 상태가 되었고, 평균 전류는 장치의 온도와 무관해졌다. 이는 거시적 양자 터널링의 명백한 징후였다. 연구팀은 또한 조셉슨 접합이 양자화된 에너지 준위를 보였음을 입증했다. 즉, 시스템의 에너지가 특정한 허용 값으로만 제한되었고, 아원자 입자가 고정된 이산적인 양으로만 에너지를 얻거나 잃을 수 있는 것처럼 시스템의 양자적 특성이 확인되었다.

그들의 발견은 양자 과학을 획기적으로 혁신했다. 다른 과학자들이 이제 실리콘 칩에서 정밀한 양자 물리학을 테스트할 수 있게 되었기 때문이다. 레이저, 초전도체, 초유체는 거시적 규모에서 양자 역학적 효과를 보여주지만, 이는 미시적 구성 요소의 거동을 결합하여 나타난다. 클라크, 데보레, 마티니스는 거시적 상태에서 거시적 효과인 측정 가능한 전압을 생성할 수 있었다. 그들의 시스템은 칩 전체의 초전도체를 채우는 수십억 개의 쿠퍼 쌍을 포함했지만, 모두 단일 파동 함수로 설명되었다. 이들은 대규모 인공 원자처럼 행동했다. 사실, 그들의 회로는 기본적인 큐비트였다.

마티니스는 후속 실험에서 이런 회로가 정보를 담는 단위가 될 수 있음을 보여주었다. 최저 에너지 상태와 그다음 단계가 각각 0과 1로 작동했다. 이는 2007년 트랜스몬과 같은 발전의 길을 열었다. 트랜스몬은 잡음에 대한 민감도가 낮아진 초전도 전하 큐비트이다.

"에너지 준위의 양자화는 모든 큐비트의 근원입니다."라고 이르판 시디키는 말했다. 그는 캘리포니아 대학교 버클리 물리학과 학장이자 데보레의 전 박사후연구원이다. "이것이 큐비트의 시초였습니다. 현대 큐비트 회로에는 더 많은 노브와 와이어 등이 있지만, 그것은 단지 준위를 조정하거나 결합 및 얽히게 하는 방법일 뿐입니다. 조셉슨 회로가 양자화될 수 있고 양자적이라는 기본 아이디어가 이 실험에서 정말로 입증되었습니다. 전기 회로에서 이처럼 직접적인 방식으로 양자 세계를 볼 수 있다는 사실이 바로 이 상의 근거였습니다."

따라서 마티니스가 2014년 학계를 떠나 구글의 양자 컴퓨팅 연구에 합류한 것은 놀라운 일이 아니다. 그는 회사가 2019년에 '양자 우위(quantum supremacy)'를 달성했다고 주장한 양자 컴퓨터 구축을 도왔다. 마티니스는 2020년에 떠났고, 2022년에 양자 컴퓨팅 스타트업인 Qolab을 공동 창업했다. 그의 동료 노벨상 수상자인 데보레는 현재 구글의 양자 컴퓨팅 부서를 이끌고 있으며 캘리포니아 대학교 산타바버라 교수이기도 하다. 클라크는 현재 캘리포니아 대학교 버클리 명예교수다.

"이 시스템들은 미시적 양자 거동과 양자 공학의 기초를 형성하는 거시적 장치 사이의 간극을 연결합니다." 존스 홉킨스 대학교의 양자 정보 과학 및 양자 알고리즘 전문가인 그레고리 퀴로즈(Gregory Quiroz)는 성명에서 말했다. "지난 수십 년간 이 분야의 급속한 진보는 부분적으로 그들의 중요한 결과에 힘입은 것으로, 초전도 큐비트가 소규모 실험실 실험에서 양자 계산을 실현할 수 있는 대규모 다중 큐비트 장치로 발전할 수 있게 했습니다. 우리는 여전히 부인할 수 없는 양자 이점을 찾고 있지만, 이 분야에 대한 그들의 많은 핵심 기여 없이는 오늘날의 위치에 있지 못했을 것입니다."

기초 연구에서 흔히 그렇듯이, 세 물리학자 중 누구도 당시 자신들의 발견이 양자 컴퓨팅과 다른 응용 분야에 미칠 영향이 얼마나 중요한지 깨닫지 못했다.

"이 상은 미국 과학 시스템이 가장 잘 해온 것을 보여줍니다." 미국 물리학 협회 CEO 조나단 배거(Jonathan Bagger)가 뉴욕 타임스에 말했다. "이는 아직 응용 분야가 없는 연구에 대한 투자의 중요성을 보여주었다. 우리는 언젠가는 반드시 응용 분야가 생길 것이라는 것을 알고 있기 때문이다."

제니퍼 오울렛(Jennifer Ouellette)은 아르스 테크니카의 수석 기자로, 과학이 문화와 만나는 곳에 중점을 두고 물리학 및 관련 학제간 주제에서 그녀가 좋아하는 영화와 TV 시리즈에 이르기까지 모든 것을 다룬다. 제니퍼는 배우자이자 물리학자인 숀 M. 캐롤(Sean M. Carroll)과 그들의 두 마리의 고양이 아리엘과 칼리반과 함께 볼티모어에 산다.

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