quantum wave

• 카테고리 2025년 노벨물리학상 해설

노벨 물리학상 수상 개요

2025년 10월 7일 스웨덴 왕립과학원의 노벨상 위원회는 올해의 노벨 물리학상을 세명의 물리학자인 존 클라크(John Clarke), 미셸 데보레이(Michel H. Devoret), 그리고 존 마르티니스(John M. Martinis)에게 공동 수여하였다.

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John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis.
그림 출처: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/summary/

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그림 설명: 양자 터널링과 에너지 양자화에 대한 개념도

연구 주제는 전기 회로(electrical circuit)에서 일어나는 거시적 양자 터널링(macroscopic quantum tunneling)과 에너지 양자화(energy quantization) 현상의 발견이다. 관련 논문이 발표된 1980년대 중반 이후로 근 30년 만에 이 세명의 연구자들은 두 양자역학적 현상의 발견으로 노벨 물리학상을 수상하게 되었다. 양자 터널링은 어떤 입자가 고전적으로는 넘을 수 없는 에너지 장벽을 통과하는 양자역학적 현상을 말한다. 좋은 예로는 원자핵에서 발생하는 alpha decay현상이 있다. 에너지 관점에서 보면 alpha 입자가 핵에서 분리되어 밖으로 탈출하는 것이 불가능하지만 양자 터널링 현상에 의해 에너지 장벽을 뚫고 탈출할 수 있다. 양자 터널링 현상이 전자나 원자핵과 같은 미시(microscopic) 세계에서 뿐만 아니라 전기 회로 같은 수많은 입자가 존재하는 거시적으로 큰 시스템에서도 양자 터널링이 일어날 수 있음을 발견하였다. 그리고 원자가 불연속적인 에너지 레벨을 갖고 있듯이 전기 회로에서도 에너지가 양자화된다는 것도 발견하였다. 전기 회로에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화가 가능하다는 발견은 초전도 기반 양자 컴퓨터의 기본 단위가 되는 초전도 큐비트(superconducting qubit)의 토대가 되었다. 전기 회로에 인공원자(=큐비트)를 만들 수 있게 되었고 이 양자화된 시스템에서 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)같은 양자 현상을 구현할 수 있게 된 것이다. 초전도 기반 양자컴퓨팅의 미래 기술의 토대를 마련한 연구결과라고 말할 수 있다. 이번 물리학상이 초전도 큐비트 연구결과 자체에 주어진 것은 아니고 그 것을 가능하게 했던 두 물리현상의 발견에 수여가 된 것이다. 최근에 주목받고 있는 양자 컴퓨터에 대한 기대와 함께 그 기초가 되는 연구를 수행했던 연구자의 노력이 인정받은 것으로 생각된다.

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그림 1. (a) 조셉슨 접합은 두 초전도체 얇은 절연체로 나누어진 형태이다. 외부 전류를 가하면서 접합에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. (b) 조셉슨 접합의 등가 전기회로를 표현한 것이다. 그럼 출처: Ref.[1]

조셉슨 접합과 스위칭 전류 측정

그럼 좀 더 자세히 수상자들의 연구결과에 대해 알아보도록 한다. 연구 결과는 1980년대에 수행한 실험결과가 시초가 되었다. 수상자들은1985년에 미국 물리학회지 physical review letter에 두개의 중요한 논문을 발표하였는데 이 논문들은 조셉슨 접합으로 이루어진 초전도 회로를 이용하여 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화 현상을 실험적으로 관찰한 내용이다. Ref.[1,2] 그 당시 세명은 같은 연구실 소속의 연구자들이었다. 존 클라크는 미국의 버클리대학(University of California, Berkeley)의 물리학과 교수였으며, 미셸 데보레이 와 존 마르티니스는 각각 박사후연구원 그리고 박사과정 학생이었다. 그들은 당시 초전도체로 만들어진 전기 회로에 일어나는 양자역학적 현상에 대해 연구하고 있었다. 논문의 내용을 이해하기 위해서는 조셉슨 접합과 측정하는 물리량에 대한 조금의 이해가 필요하다. 그들이 만든 조셉슨 접합(Josephson Junction)은 두개의 초전도체와 그 사이에 있는 매우 얇은 절연체로 이루어진 접합소자이다 (그림 1a). 조셉슨 접합에 외부 전류(bias current)를 흘리면 얇은 절연체가 있음에도 불구하고 초전류(supercurrent)가 흐르는데 이를 조셉슨 효과(Josephson effect)라 부르고 이를 설명한 공로로 브라이언 조셉슨(Brian Josephson) 은 1973년에 노벨 물리학상을 수상하였다. 생각해보면 초전류가 흐른다는 것은 매우 신기한 현상이다. 왜냐하면 전자가 매우 얇은 절연체를 통과하는 것은 양자 터널링으로 설명이 가능하지만 두개의 전자로 이루어진 쿠퍼쌍(Cooper-pair)이 얇은 절연체를 통과할 확률은 전자가 통과할 확률의 제곱으로 매우 작아서 설명이 어렵기 때문이다. 초전류가 절연체를 통과하여 흐르는 조셉슨 효과가 나타나는 이유는 초전도체내의 쿠퍼쌍들이 마치 하나로 이루어진 거시적 입자(macroscopic particle-like)처럼 행동하기 때문이다. 이를 기술하는 물리량은 초전도 질서 변수(superconducting order parameter)라고 부르는 양자역학에서 얘기하는 파동함수(wavefunction)이고 두 개의 파동함수사이의 위상차(δ)가 조셉슨 접합의 초전류의 크기를 결정한다.1
조셉슨 접합에 외부 전류를 흘리면 접합 내부에는 초전류(supercurrent)가 흐른다. 하지만 접합에 저항이 없기 때문에Ohm’s law에 의해 전압이 제로인 상태(zero-voltage state)로 유지가 된다. 하지만 조셉슨 접합에는 최대로 흐를 수 있는 임계 전류(critical current)가 존재하고 외부 전류가 임계 전류를 넘어서면 전압이 발생한다, i.e., zero-voltage 상태 벗어남. 그런데 실제로는 외부 전류가 임계전류에 도달하기 전에 zero-voltage 상태에서 벗어나 non-zero-voltage상태로 바뀔 수 있다. 이 때의 초전류를 스위칭 전류(switching current)라 부른다. 이 스위칭 현상은 열에너지 또는 거시적 양자 터널링 현상에 의해 일어나게 된다. 세 연구자들은 온도를 낮춰가면서 스위칭 전류의 반복적인 측정을 통해 거시적 양자 터널링 현상을 관찰할 수 있었다.

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그림 2. (a) 외부 전류가 임계전류보다 작은 경우로 가상 입자가 에너지 우물에 갇혀서 zero-voltage 상태를 유지한다. (b) 외부 전류가 임계전류보다 큰 경우로 가상 입자가 washboard potential을 굴러 내려가고 조셉슨 접합에 전압이 나타난다. 가상 입자가 (c)연속적인 에너지를 가진 경우와 (d) 불연속적인 에너지를 가진 경우의 에너지를 시각화하였다. 그럼 출처: Ref.[1]

전기 회로에서 거시적 양자 터널링 현상의 발견

이 스위칭 전류 측정으로부터 어떻게 거시적 양자터널링 현상을 발견했는지를 이해하기 위해서 외부 전류가 인가된 조셉슨 접합을 기술하는 방식을 이해할 필요가 있다. 조셉슨 접합의 전기회로 모델(그림 1b)을 통해서 조셉슨 접합의 작동을 우리가 직관적으로 이해하기 쉬운 특정 위치에너지를 가진 가상 입자(phase particle)의 역학적 운동으로 기술할 수 있다(그림 2). 주기적으로 연속된 언덕같은 형태의 위치에너지는 기울어진 빨래판처럼 보여서 tiled washboard potential이라고 불린다. 인가하는 전류가 증가하면 washboard potential의 기울기가 증가하게 된다. zero-voltage 상태는 이 가상 입자가 washboard potential의 에너지 우물(potential well)에 갇혀 움직이지 못하는 것에 대응된다(그림 2a). 반면에 외부 전류를 증가시켜 기울기가 충분히 커지면, 예를 들어, 임계 전류보다 커지면, 에너지 장벽이 사라지기 때문에 아래로 계속 굴러 내려가게 되고 이 경우 전압이 나타나게 된다(그림 2b). 하지만 에너지 장벽이 존재할 때라도 열에너지가 충분하면 입자가 장벽을 넘어가서 아래로 굴러 내려가게 되어 전압이 나타날 수 있다. 이런 프로세스를 thermal activation라고 부르며 가상 입자가 에너지 장벽을 벗어나게 된다. 비유를 들자면 설악산에 있는 흔들바위를 여러 명의 사람들이 같이 합을 맞추지 않고 미는 것과 비슷하다. 어떤 순간 합이 맞으면 충분한 힘이 모아지면 바위는 제자리를 벗어나 산 아래로 굴러 가게 될 것이다. 에너지 장벽을 탈출해서 zero-voltage상태에서 벗어나는 속도(escape rate)는 온도와 에너지 장벽의 크기에 의존하며 온도가 높거나 에너지 장벽이 낮을수록 이 escape rate이 크다.2

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그림 3. 유효 탈출 온도(effective escape temperature)를 실제 온도와 같이 표시하였다. 온도가 낮아지면서 “Quantum Junction”의 유효 탈출 온도가 이론적으로 예측된 포인트(y축에 MQT로 표시된 곳)에 근접한다. “Classical Junction” 은 사용된 샘플에 자기장을 걸어서 임계전류를 일부터 낮춘 것을 나타낸다. MQT 온도가 낮아지는 점으로 부터 샘플의 온도가 실제로 낮아짐을 보여준다. 그럼 출처: Ref.[2]

실제 실험에서는 스위칭 전류를 반복적으로 측정하고 이 데이터로부터 가상 입자가 zero-voltage 상태를 탈출하는 escape rate을 측정하였다. 편의를 위해 effective escape temperature라는 유효 탈출 온도(Tesc)가 사용되었다. Arrhenius law에 따라 가상 입자의 escape rate에 대응하는 유효 탈출 온도라는 의미이다. 화학반응에서 온도가 높을 때 반응속도가 빨라지는 것과 같이 유효 탈출 온도가 높은 것은 에너지 장벽을 탈출하는 escape rate이 높은 것에 해당한다. 연구자들은 스위칭 전류를 온도에 따라 측정하여 유효 탈출 온도와 실제 온도를 같이 그래프에 표시하였다(그림 3). 온도가 높을 때는 thermal activation에 의한 escape rate이 우세하기 때문에 유효 온도와 실제 온도가 거의 같이 변한다. 하지만 온도가 내려가면 유효 온도가 대각선에서 벗어나기 시작하고 유효 온도에 특정 온도에 수렴하게 된다. 열에너지에 충분하지 않아도 – thermal activation에 의한 escape rate이 사라져도 – 고정된 escape rate이 존재한다는 것을 의미한다. 이것은 가상 입자가 에너지 장벽을 통과하는 양자 현상인 거시적 양자 터널링 현상의 증거이다! 열에너지가 없어도 가상 입자는 washboard potential의 에너지 장벽을 통과하는 비율이 항상 존재하는 것이다. 이 양자 터널링 속도는 에너지 장벽의 높이와 폭에 의해서만 결정될 것이다. 물론 escape rate의 saturation 현상은 양자 터널링이 아니더라도, 예를 들면, 주변의 전자기적 잡음에 의해 설명이 될 수도 있다. 따라서 조셉슨 접합으로 오는 잡음을 최소화하는 실험적 기술들도 세명의 연구자들에 의해 개발되었다. 후속 실험에서 발견한 에너지 양자화는 전자기적 잡음으로는 설명이 되지 않으며 거시적 양자 터널링과 함께 연구자들의 인정을 받게 되었다 .  

전기회로에서 에너지 양자화의 발견

거시적 양자 터널링의 발견 후 얼마 지나지 않아 세명의 같은 연구자들은 전기 회로와 같은 거시적 세계에서 에너지가 양자화 된다는 것을 발견하었다. 전기회로를 기술하는 거시적 파라미터(macroscopic variable)가 양자역학의 법칙을 따른다는 것은 보여준 중요한 결과이다. 이를 위해서 연구자들은 조셉슨 접합에 마이크로웨이브(GHz 주파수 영역)를 가해주면서 zero-voltage 상태에서 전기회로의 에너지가 양자화되어 있다는 실험결과를 발표했다. 이를 위해 마찬가지로 스위칭 전류 측정을 하면서 특정 마이크로웨이브 주파수를 인가하였다. 특정 주파수의 마이크로웨이브를 가했을 때 zero-voltage상태를 탈출하는 비율이 증가하는 현상이 나타났다(그림 4a). 이 현상의 이유는 가상 입자가 낮은 에너지에서 높은 에너지 상태로 올라가면 에너지 장벽의 높이가 낮아지므로 양자 터널링 비율이 증가하기 때문이다. 이런 터널링 증가 현상이 특정 주파수에서 일어나는 것은 에너지가 연속적이 아닌 양자화되어 있다는 것의 증거였다. 즉 특정 에너지의 광자만을 흡수하거나 방출할 수 있다. 원자의 에너지 레벨이 양자화되어 있듯이 전기 회로와 같은 거시적인 물체에서도 미시세계에서 나타나는 에너지 양자화가 가능함을 보여준 것이다. 초전도체로 구성된 전기 회로를 이용하여 인공적으로 양자 시스템을 구성할 수 있게 된 것에 큰 의미가 있다.

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그림 4. (a) 조셉슨 접합에 2 GHz의 마이크로웨이브를 조사하면서 스위칭 전류 측정을 통해 escape rate을 측정하였다. 특정 외부 전류에서 escape rate이 증가함을 보여준다. 데이터에서 검은색 화살표는 2->3, 1->2, 0->1 상태의 에너지 전이에 해당된다. (b) 계산된 에너지 레벨 간격(En+1-En)를 외부 전류의 함수로 표시하였다. 검은색 화살표는 마이크로웨이브와 공진이 예상되는 외부 전류값을 나타낸다. 그럼 출처: Ref.[2]

연구분야의 현재와 미래

초전도 회로의 양자화된 에너지 레벨에서 가장 낮은 두 에너지 상태를 큐비트(qubit)로 사용할 수 있다. 이런 전기회로를 큐비트로 이용할 때 장점 중 하나는 큰 전자기적인 cross-section을 갖고 있기 때문에 축전지나 인덕터 같은 선형 전기 회로 컴포넌트로도 다른 큐비트와 쉽게 커플링이 된다는 점이다. 최초로 1990년도에 초전도 회로를 이용해서 0과 1의 에너지 상태를 갖는 최초의 큐비트인 charge qubit가 만들어졌다. 일본의 야스노부 나까무라(Yasunobu Nakamura)는charge qubit에서 0(기저상태)과 1(들뜸상태)사이에서 결맞음 진동(coherence oscillation)을 관찰하는데 성공하였다. 이는0과 1사이에 양자 중첩(superposition)을 만들 수 있다는 의미이며 이는 양자 컴퓨팅에서 단일 양자 게이트의 기초가 된다. Charge qubit외에도 phase qubit와 flux qubit 연구가1990년대부터 2000년대 초반까지 활발히 이루어 졌다(그림 5). 이 세개의 기본적인 큐비트들은 모두 초전도체 기반의 조셉슨 접합, 축전기, 인덕터 등으로 구성된 전기 회로이다. 이제 사람들은 양자컴퓨터의 기본 단위인 큐비트 또는 인공원자를 초전도 회로에서 구현하고 양자 상태를 제어하고 이용할 수 있게 되었다. 2007년에는 트랜스몬(transmon)이라는 변형된 charge qubit이 보고되었고 현재까지 대부분의 초전도 양자 컴퓨팅연구에서 사용되고 있다.3

근 20년간 초전도 큐비트 연구에서는 눈부신 성장이 있어 왔다. 큐비트가 양자상태를 유지할 수 있는 시간인 결맞음 시간은 charge qubit charge qubit 의 수 ns에서 트랜스몬의 수백 μs 까지 10만 배 이상 증가하였다. 노벨 물리학상 수상자들도 이렇게 자신들의 연구가 현재의 결과로 이러질 것이라고 예상하지는 못했을 것이다. 이번 노벨 물리학상의 의의는 최근에 주목받고 있는 초전도 양자컴퓨팅의 근간이 되는 물리적 현상의 발견을 인정받은 것일 것이다. 1980년대 이 세명의 수상자들의 노력이 없었다면 현재 초전도 큐비트도 존재하지 않았을지도 모른다. 미셸 데보레이와 존 마르티니스는 각각 Google quantum AI에서 양자 컴퓨팅 수석 책임연구원과 Qolab이라는 스타트업 회사의 CTO로 초전도 기반 양자컴퓨팅 연구개발을 활발히 하고 있다. 가까운 미래에 모두가 바라는 범용적인 결함허용 양자 컴퓨터(Universal fault-tolerant quantum computer)의 출현을 그들과 함께 할 수 있기를 기대해 본다.

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그림 5. 왼쪽부터 순서대로charge qubit, flux qubit, and phase qubit. 그림 출처: Ref. [3,4,5]

참고문헌연구

• 1. Michel H. Devoret, John M. Martinis, and John Clarke, “Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction”, Phys.Rev.Lett. 55 1908 (1985)
• 2. John M. Martinis, Michel H. Devoret, and John Clarke, “Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction”, Phys.Rev.Lett. 55, 1543 (1985)
• 3. Y. Nakamura, Yu. A. Pashkin and J. S. Tasi, “Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box”, Nature 398, 786 (1999)
• 4. I. Chiorescu, Y. Nakamura, C. J. P. M. Harmans, J. E. Mooij, “Coherent Quantum Dynamics of a Superconducting Flux Qubit”, Science 299, 1869 (2003)
• 5. J.M. Martinis, “Superconducting phase qubits”, Quantum Inf Process 8, 81–103 (2009).
• 6. Press release. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach 2025. Sun. 2 Nov 2025. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/press-release/
• 7. Popular information. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach 2025. Sun. 2 Nov 2025. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/
• 8. Advanced information. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach 2025. Sun. 2 Nov 2025. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/advanced-information/