2025년 노벨 물리학상

• John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis는 전통적으로 미시적 영역에서만 가능한 양자 현상을 손에 들 수 있을 만큼 큰 시스템에서 구현함
• 이들은 초전도 전기 회로를 통해 여러 입자로 구성된 시스템에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화를 직접 입증함
• 실험에서 시스템은 터널링 현상으로 상태를 변화시키며, 에너지를 특정한 크기만큼만 흡수하거나 방출함
• 이번 연구는 거시적 규모에서 관측 가능한 양자 효과와 이론적·실험적 의미에 대한 깊은 이해를 제공함
• 이 성과는 양자 기술 개발과 양자 컴퓨터 실현의 기초가 되는 중요한 실증임

양자적 성질, 인간의 규모에서 관측

2025년 노벨 물리학상 수상자인 John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis는 실험을 통해 양자 세계의 특이한 현상이 손에 들 수 있을 만큼 큰 시스템에서도 나타남을 증명함. 이들이 제작한 초전도 전기 회로는 상태 간에 터널링 현상을 보이며, 이는 마치 벽을 관통해 움직이는 것과 같음. 또한 회로는 양자역학의 예측대로 특정 크기의 에너지만 흡수하거나 방출함.

혁신적 실험 시리즈

• 양자역학은 개별 입자 수준에서 현상을 설명하나, 일상적인 거시적 현상에서는 양자 효과가 드러나지 않음
• 그러나 Clarke, Devoret, Martinis는 초전도체로 구성된 전기 회로에서, 많은 입자들이 하나의 거대한 입자처럼 움직이며 거시적 양자 터널링을 실험적으로 검증함
• 이 현상은 기존 핵붕괴와 같은 양자 터널링 활용 사례와 달리, 수십억 개의 입자가 동시에 동조된 운동을 하는 시스템에서 확인됨
• 실험 회로에는 두 개의 초전도체와 도전성을 가진 얇은 절연벽(Josephson junction)을 두어, Cooper pair의 집단적 운동을 하나의 파동함수로 묘사함

터널과 경계를 넘는 양자역학

• 양자 터널링은 단일 입자에서 이미 잘 알려진 효과이나, 이번 수상자들은 이것이 다수 입자에서 동시적으로 거시 규모에서도 등장함을 증명함
• Cooper pair는 동일한 양자 상태로 묶여 하나의 거대한 입자이자, 집단적 파동함수로 기술 가능함
• Josephson junction은 양자현상 연구의 핵심 소자로, 두 초전도체 사이의 얇은 절연 구간을 통해 파동함수의 상호작용과 거시적 양자 효과를 탐구하는 실험을 가능하게 함

연구 그룹의 실험적 도전

• John Clarke는 Berkeley에서 초전도체와 Josephson junction의 다양한 물리학 연구를 이끌었음
• Michel Devoret가 박사 후 연구원으로, John Martinis가 박사과정 학생으로 Clarke와 협력. 세 명은 거시적 양자 터널링의 실험적 증거 확보와 정밀 측정에 성공함
• 실험에서는 Josephson junction에 미약한 전류를 공급, 처음에는 0 볼트 상태를 관측하다가, 일정 시간이 지나면 터널링을 통해 전압이 발생하는 양자적 변화를 수치적으로 기록함
• 동일 실험을 여러 번 반복해 통계적 데이터를 누적하여, 핵 붕괴 반감기 측정처럼 터널링 대기 시간 분포를 분석함

에너지 양자화와 실험적 정밀성

• 실험 결과, Cooper pair 집단이 마치 하나의 거대한 입자처럼 동시적 에너지 상태 변화를 일으키며, 특정 크기의 에너지만 흡수·방출하는 에너지 양자화도 확인함
• 마이크로파를 주입해 더 높은 에너지 상태로 격상시키면, 시스템이 터널링 대기 시간 단축을 보이며, 양자역학의 예측과 일치함

실용적·이론적 의의

• 기존 거시적 양자현상(예: 레이저, 초전도, 초유체)은 물질의 개별적 양자 성질이 합쳐진 결과임. 하지만 이번 실험은 거대 집단 자체가 양자적 상태에 있음을 입증함
• 이 실험은 Schrödinger의 고양이라는 사고 실험에 비견할 만하며, 다수 입자 집단이 실제로 양자역학 법칙을 따름을 입증함
• 거시적 양자 상태는 인공 원자 등 새로운 실험적 플랫폼, 양자컴퓨터의 양자비트(qubit) 구현 등 첨단 기술 개발 기반이 됨
• 특히 John Martinis는 실험적 성과를 바탕으로, 양자비트의 0·1 상태를 회로에서 직접 구현하는 양자컴퓨터 실험도 발표함

결론

• 2025년 노벨 물리학상은 거시적 전기 회로에서 양자 터널링 및 에너지 양자화를 실험적으로 최초 입증한 Clarke, Devoret, Martinis에게 수여됨
• 이 연구는 양자역학의 실험적 및 이론적 진보, 새로운 기술 영역 개척의 계기를 제공함

추가 정보

• 올해의 노벨상 관련더 자세한 과학적 배경 자료는 www.kva.se와 www.nobelprize.org에서 확인 가능
• Press conference, 강연, 전시 등 정보는 www.nobelprizemuseum.se에서 찾을 수 있음

2025년 노벨 물리학상 수상자

• John Clarke: 1942년 영국 캠브리지 출생, 1968년 University of Cambridge 박사, 현재 University of California, Berkeley 교수
• Michel H. Devoret: 1953년 프랑스 파리 출생, 1982년 Paris-Sud University 박사, 현재 Yale University/University of California, Santa Barbara 교수
• John M. Martinis: 1958년 출생, 1987년 University of California, Berkeley 박사, 현재 University of California, Santa Barbara 교수

“전기 회로에서의 거시적 양자 터널링 및 에너지 양자화 발견”