"손에 잡히는 양자역학"…양자컴퓨터 시대 열어

하이커뮤니티매니져 0 17 10.08

40년 전 양자역학 실험으로 노벨상 수상

양자컴퓨터·양자암호 등 기술개발 문 열어

2019년 슈퍼컴퓨터 능가한 양자 우위 달성

2025년 노벨 물리학상 수상자. 왼쪽부터 존 클라크 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 교수, 미셸 데보레 미국 예일대 교수, 존 마티니스 미국 산타바버라 캘리포니아대(UC산타바버라) 교수./UC Berkeley; Yale University; Qolab

올해 노벨 물리학상은 손에 잡히는 거시 세계에서도 각종 양자역학 현상들을 관측할 수 있다고 증명한 과학자 3명에게 돌아갔다. 이들의 연구는 양자컴퓨터, 양자암호 등 양자역학 원리를 이용한 차세대 기술을 개발하는 데 새로운 길을 열었다는 평가를 받는다.

스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회는 7일(현지 시각) 올해 노벨 물리학상 수상자로 존 클라크(John Clarke·83) 미국 버클리 캘리포니아대(UC버클리) 교수, 미셸 데보레(Michel Devoret·72) 예일대 교수, 존 마티니스(John Martinis·67) 산타바버라 캘리포니아대(UC산타바버라) 교수를 선정했다고 발표했다.

영국 출신인 클라크 교수는 케임브리지대에서 박사학위를 받았다. 마티니스 교수는 미국에서 태어나 UC버클리에서, 프랑스 출신인 데보레 교수는 파리-쉬드대(현 파리-사클레대)에서 각각 박사학위를 받았다.

◇양자컴퓨터의 우위 첫 달성

양자역학은 원자핵이나 전자 같이 원자보다 작은 미시 세계를 설명하는 믈리학 분야이다. 양자역학은 미시 세계에서는 입자가 동시에 여러 상태에 존재하는 양자 중첩 현상이나, 멀리 떨어져 있어도 연결된 것처럼 행동하는 양자 얽힘 현상이 있다고 설명한다.

올해 노벨 물리학상을 받은 세 과학자는 지난 1984~1985년 UC버클리에서 진행한 실험을 통해 인간이 보고 만질 수 있는 거시 세계에서도 양자역학 현상을 관측할 수 있음을 증명했다. 당시 클라크 교수가 지도교수였고, 마티니스 교수는 박사과정 학생, 데보레 교수는 프랑스에서 온 박사후연구원이었다.

세 사람은 눈으로 보고 손으로 쥘 수 있을 정도 크기의 전자 회로를 가지고 실험을 진행했다. 실리콘 칩에는 전기 저항이 0인 초전도체 사이에 작은 절연층을 넣은 ‘조셉슨 접합’이 들어갔다.

고전물리학에 따르면 일반 회로라면 전류를 흘려보내도 전자들이 전기가 통하지 않는 절연층을 뚫지 못한다. 반면 초전도체로 된 회로에선 전기를 띤 입자들이 마치 벽을 통과하듯 절연층을 뚫고 나가는 ‘양자 터널링 현상’이 관측됐다.

또 회로가 특정한 값의 에너지만 흡수·방출하는 ‘에너지 양자화 현상’도 나타났다. 양자화는 어떤 물리량이 연속적이지 않고 기본 단위(양자)의 정수배로 나타나는 것을 말한다. 이 실험 결과는 미시 세계에 한정된 이론 정도로 여겨지던 양자역학이 공학의 영역으로 넘어오는 결정적 계기가 됐다는 평가를 받았다.

구글이 개발한 양자컴퓨터 '시커모어(Sycamore)'. 2019년 슈퍼컴퓨터보다 월등하다는 '양자 우위'를 달성했다./구글

노벨위원회는 “이들의 연구가 양자컴퓨터뿐 아니라 해킹이 불가능한 양자암호, 초정밀 계측이 가능한 양자센서 등 차세대 양자 기술 개발의 문을 열었다”고 평가했다. 특히 세 과학자가 이용한 초전도 회로는 오늘날 양자컴퓨터의 기본 연산 단위인 ‘큐비트(qubit)’를 만드는 핵심 기술의 원형이 됐다.

기존 컴퓨터는 전자가 없거나 있는 것을 0과 1, 즉 1비트(bit) 단위로 표현한다. 이에 비해 양자컴퓨터의 단위는 0과 1 상태가 중첩된 큐비트이다. 일반 컴퓨터가 2비트이면 00, 01, 10, 11 네 가지 중 하나가 되지만, 2큐비트는 네 가지가 동시에 다 가능하다. 만약 큐비트가 300개라면 우주의 모든 원자 수보다 많은 2의 300제곱 상태가 가능해 컴퓨터 능력이 획기적으로 커진다.

마티니스 교수는 초전도 큐비트를 이용해 양자컴퓨터를 개발하기 위해 2014년 구글에 합류했다. 그가 이끈 구글 인공지능(AI) 연구진은 2019년 10월 국제 학술지 ‘네이처’에 현존 최고의 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸릴 난수 증명 문제를 양자컴퓨터로 200초 만에 해결했다고 발표했다. 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터를 능가하는 이른바 ‘양자 우위’가 처음으로 달성된 순간이었다. 마티니스 교수는 2020년 구글을 나와 2년 뒤 양자기술 기업 큐오랩(Qolab)을 설립했다.

◇노벨 물리학상 계보 이어

올해 노벨 물리학상 수상자들의 업적은 앞선 노벨상 수상자들의 연구를 발전시켰다. 이들은 초전도체 회로 실험으로 양자 터널링 현상을 발견했다. 초전도 현상은 1911년 네덜란드의 물리학지인 헤이커 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 섭씨 영하 269도에서 처음 발견했다. 그는 이 공로로 1923년 노벨 물리학상을 받았다.

미국 물리학자인 존 바딘(John Bardeen)과 레온 쿠퍼(Leon Cooper), 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer)는 1957년 자신들의 이름을 첫 글자를 딴 이른바 BCS 이론으로 초전도 현상을 설명했다. 결정 격자 구조의 진동이 전자 사이에 접착제 역할을 한다. 이렇게 만들어진 전자쌍이 저항을 받지 않고 이동하면서 전류가 흐른다고 설명한다. 세 과학자는 BCS 이론으로 1972년 노벨상을 받았다.

일반 전도체에서 전자들은 서로 부딪히고 밀어낸다(위). 초전도체에서는 전자들이 쿠퍼 쌍을 이루고 저항이 없는 전류를 만든다. 그림은 초전도체 사이에 절연층 틈이 있는 조셉슨 접합을 보여준다(가운데). 쿠퍼 쌍을 이룬 전자들은 마치 단일 입자처럼 절연층을 뚫고 흐르는 양자 터널링 현상을 보인다(아래)./노벨 재단

올해 수상자들은 이번에 초전도체 회로에서 전자들이 BCS 이론을 확립한 레온 쿠퍼의 이름을 딴 이른바 ‘쿠퍼 쌍’을 이뤄 마치 회로 전체를 채운 ‘단일 입자’처럼 행동하고, 절연체 장벽을 뚫고 반대편으로 이동하는 양자 터널링 현상을 보인다는 사실을 확인했다.

일반 전도체 회로에선 전자들이 서로 부딪힌다. 전자는 강한 배타성을 지녀 서로 거리를 유지하려 한다. 반면 초전도체 회로에서는 전자들이 쿠퍼 쌍을 이루고 전기 저항이 없는 전류를 형성한다.

올해 물리학상 수상자들은 조셉슨 접합이 있는 실리콘 칩으로 실험했다. 영국 물리학자 브라이언 조셉슨(Brian Josephson)은 1962년 초전도체 사이에 전류가 흐르지 못하는 부도체를 끼워 넣어도 전류가 흐른다고 이론적으로 예측했다.

1963년 벨 연구소 연구진은 초전도체 납 사이에 부도체를 넣은 실험으로 조셉슨의 예측을 입증했다. 당시 실험 시료는 수 ㎜ 크기였다. 조셉슨은 1973년 노벨 물리학상을 받았다. 올해 수상자들은 조셉슨 접합이 있는 실리콘 칩에서 양자 터널링을 관찰해 전자 회로에서 양자역학을 구현할 수 있음을 입증했다.

https://biz.chosun.com/science-chosun/science/2025/10/07/YBEZNTBH3RH4JHNMRPUNF3VMQA/

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