2025 노벨 물리학상: 칩 위 초전도 회로가 증명한 거시적 양자터널링과 에너지 양자화

전자 한 개의 통과와 수십억 전자의 집단이 벽을 스며드는 순간, 무엇이 더 놀라울까요? 2025년 노벨 물리학상은 칩 위 초전도 회로에서 거시적 양자터널링과 에너지 양자화를 실험으로 입증한 세 명의 물리학자에게 주어졌으며  이 글은 그 원리와 신호, 의미, 그리고 오늘의 응용까지 알기 쉽게 정리합니다. 보이지 않는 문을 연 과학, 어떻게 가능했는지 함께 따라가봐요.

 

 

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1. 2025 노벨 물리학상: UC Berkeley 연구팀의 거시적 양자터널링 도전

2025 노벨 물리학상은 전기 회로에서 거시적 양자역학적 터널링과 에너지 양자화를 발견한 공로로 세 명의 물리학자에게 돌아갔습니다.

 

이번 노벨상의 핵심인 거시적 양자터널링은 양자역학이 미시세계만의 법칙이 아님을 증명한 획기적 발견입니다.

 

2025년 노벨 물리학상 수상자와 그들의 역할

수상자	소속	주요 기여
John Clarke	UC Berkeley (미국)	초정밀 SQUID 개발 및 실험 설계 주도
Michel H. Devoret	Yale University (프랑스→미국)	양자 회로 이론 정립 및 노이즈 차폐 기술
John M. Martinis	UC Santa Barbara, Qolab CTO	실험 검증 및 양자컴퓨팅 하드웨어 선도 (전 Google Quantum AI)

 

이들의 이야기는 1984년 UC Berkeley 실험실에서 시작됩니다.

 

당시 Clarke 교수의 연구실에는 프랑스에서 박사후연구원으로 온 Devoret과 대학원생 Martinis가 있었어요. 이들은 1978년 Anthony Leggett(2003년 노벨상 수상자)이 이론적으로 예측한 '거시적 양자터널링'을 실험으로 증명하기로 마음먹었습니다.

 

가장 놀라운 점은 이들이 사용한 실험 장치가 불과 1센티미터 크기의 실리콘 칩이었다는 거예요.

 

연구팀은 이를 두고 "손으로 만질 수 있을 정도로 큰 시스템"이라고 표현했습니다. 원자 하나가 아닌 칩 전체가 양자역학을 따른다니 상상이 되시나요?

 

이들의 실험이 어떻게 40년 만에 노벨상으로 이어졌는지 노벨상 위원회 공식 발표문에서 자세히 확인할 수 있습니다.

 

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2. 양자 세계의 세 가지 열쇠: 이해를 위한 기초 개념

2.1 초전도: 수십억 전자들의 완벽한 단체 행동

겨울 아이스링크에서 스케이터들이 각자 타면 서로 부딪히지만 모두가 손을 잡고 하나의 큰 원을 만들면 완벽하게 같은 속도로 움직입니다. 초전도체에서 전자들이 보여주는 행동이 바로 이런 모습이에요.

 

보통 금속에서는 전자들이 제각각 움직이며 원자와 충돌해 저항이 발생합니다. 하지만 극저온(절대영도 근처)의 초전도체에서는 전자들이 '쿠퍼쌍(Cooper pair)'이라는 짝을 이뤄 집단으로 움직여요. 이때 저항이 완전히 제로가 됩니다.

 

쿠퍼쌍이라는 이름은 1972년 노벨상을 받은 BCS 이론의 Leon Cooper에서 따온 것인데, 이 이론이 초전도 현상을 완벽하게 설명했어요.

 

여기서 핵심은 수십억 개의 쿠퍼쌍이 마치 하나의 거대한 입자처럼 행동한다는 점이에요.

 

양자역학에서는 이를 "하나의 파동함수를 공유한다"고 표현합니다. 바로 이것이 거시적 양자터널링의 주인공입니다.

 

2.2 조셉슨 접합: 양자 세계로 가는 문

1962년 Brian Josephson(1973년 노벨상 수상자)은 두 개의 초전도체 사이에 아주 얇은 절연층을 끼우면 특별한 일이 일어난다고 예측했어요.

 

이 구조를 '조셉슨 접합'이라고 부릅니다. 쿠퍼쌍들이 절연층을 통과할 수 있다는 거였죠.

 

조셉슨 접합의 원리와 실제 실험 방법은 오늘날 대학 실험실에서도 재현 가능한 수준이 되었습니다.

 

 

2.3 양자터널링: 불가능을 가능하게 만드는 양자의 마법

테니스공을 벽에 던지면 100% 튕겨 나옵니다. 하지만 양자세계에서는 공이 가끔 벽을 통과해 반대편에 나타날 수 있어요. 이것이 양자터널링입니다.

 

세 가지 수준의 터널링 현상 비교

구분	고전물리 (일상세계)	양자물리 (미시세계)	거시적 양자터널링 (이번 발견)
대상	테니스공, 자동차 등	전자 1개, 원자 1개	수십억 쿠퍼쌍 전체
장벽 통과	절대 불가능	확률적으로 가능	집단적으로 통과
온도 영향	온도가 높아야 넘음	온도와 무관	밀리켈빈 영역에서 관측
관측 난이도	해당 없음	비교적 쉬움	극도로 어려움

 

실은 전자 한 개의 터널링은 이미 잘 알려진 현상이에요. 1928년 George Gamow는 방사성 붕괴가 터널링 때문에 일어난다는 것을 밝혔고 우리 태양에서 핵융합이 일어나는 것도 터널링 덕분입니다.

 

하지만 수십억 개가 한꺼번에 터널링한다? 이것이 바로 거시적 양자터널링의 놀라운 점입니다.

 

2.4 에너지 양자화: 계단만 있고 경사로는 없는 세계

엘리베이터는 연속적으로 움직이지만 계단은 한 칸씩만 오를 수 있습니다. 양자세계의 에너지는 계단과 같아요. 1층, 2층, 3층은 있지만 1.5층은 존재하지 않습니다.

 

양자화가 물리학에 가져온 혁명적 변화는 플랑크의 흑체복사 이론에서 시작되어 오늘날 양자컴퓨터까지 이어지고 있습니다.

 

초전도 회로도 이런 '에너지 계단'을 가지고 있어요.

 

정확한 주파수의 마이크로파를 쏘면 회로가 계단을 한 칸 올라갑니다. 엉뚱한 주파수는 완전히 무시되죠. 이를 공명(resonance)이라고 부릅니다.

 

2.5 빨래판 퍼텐셜: 모든 개념이 만나는 무대

빨래판처럼 울퉁불퉁한 에너지 지형을 상상해보세요. 구슬(회로 상태)이 골짜기에 갇혀 있습니다.

 

전류를 가하면 빨래판이 기울어져요.

 

전류가 임계값보다 작으면 구슬은 여전히 골짜기에 갇혀 있지만 임계값을 넘으면 구슬이 굴러떨어집니다. 하지만 양자세계에서는 임계값보다 작은 전류에서도 구슬이 언덕을 '통과'할 수 있어요. 이것이 거시적 양자터널링입니다.

 

이러한 양자 원리들이 어떻게 실제 컴퓨터로 구현되는지 IBM의 양자컴퓨터 교육 플랫폼에서 무료로 직접 체험해볼 수 있어요.

 

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3. 1984-1985 Berkeley 실험: 거시적 양자터널링을 포착한 역사적 순간

3.1 극한의 실험 환경 구축

Berkeley 연구팀이 직면한 첫 번째 도전은 '노이즈와의 전쟁'이었습니다.

 

거시적 양자터널링 현상을 관측하려면 양자 신호를 방해하는 모든 요소를 제거해야 했어요. 양자 신호는 너무나 미약해서 조금만 방해를 받아도 사라져버립니다.

 

Berkeley 실험의 극한 조건들

실험 조건	구체적 수치	달성 방법
온도	밀리켈빈 영역	희석 냉동기 사용 (크로스오버 온도 이하)
노이즈 차폐	200dB 이상 감쇄	구리 분말 필터 + 다층 금속 차폐
주파수 차단	0.1-12 GHz 범위	새로 개발한 구리 분말 마이크로파 필터
측정 횟수	10,000-100,000회	통계적 신뢰도 확보
칩 크기	약 1cm	실리콘 기판 위 제작

 

특히 구리 분말 필터는 이 실험을 위해 특별히 개발된 기술이었어요.

 

마치 우주에서 오는 미약한 신호를 잡기 위해 거대한 전파망원경을 만드는 것처럼 연구팀은 양자 신호를 잡기 위해 극도로 조용한 환경을 만들어야 했습니다.

 

3.2 터널링의 증거: 온도가 내려가도 멈추지 않는 스위칭

연구팀은 조셉슨 접합에 전류를 조금씩 증가시키며 언제 전압이 발생하는지 측정했습니다. 이 과정을 수만 번 반복해 통계 데이터를 만들었어요.

 

놀라운 발견이 일어났습니다. 온도를 낮추자 어느 순간부터 스위칭 속도가 온도와 무관해진 거예요!

 

고온에서는 열에너지가 구슬을 언덕 너머로 밀어냅니다.

 

하지만 크로스오버 온도 아래에서는 열에너지가 거의 없는데도 스위칭이 계속 일어났어요.

 

이는 거시적 양자터널링의 명백한 증거였습니다. 수십억 개의 쿠퍼쌍이 집단으로 에너지 장벽을 통과한 것이죠.

 

3.3 양자화의 증거: 특정 주파수에서만 반응하는 회로

연구팀은 한 걸음 더 나아갔습니다. 회로에 다양한 주파수의 마이크로파를 쏘며 반응을 관찰했어요.

 

결과는 놀라웠습니다. 마이크로파 특정 주파수에서만 스위칭 확률이 급증했어요.

 

실험 사례로 2 GHz 조사 시 뚜렷한 공명 피크가 관찰되었습니다. 마치 피아노가 특정 음에만 반응하듯 회로도 특정 에너지에만 반응한 거죠. 이는 회로가 양자화된 에너지 준위를 가진다는 확실한 증거였습니다.

 

더 놀라운 건 이러한 공명 주파수 간격이 이론적 예측과 정확히 일치했다는 점이에요. 원자의 스펙트럼을 보는 것처럼 회로도 고유한 '양자 지문'을 가지고 있었던 겁니다.

 

 

3.4 슈뢰딩거의 고양이와의 비교

Anthony Leggett과 같은 이론물리학자들은 이 실험을 슈뢰딩거의 유명한 고양이 사고실험과 비교했습니다.

 

슈뢰딩거의 원래 사고실험은 양자역학의 코펜하겐 해석에 대한 비판이었지만, Berkeley 팀은 실제로 칩 위에서 이와 유사한 양자 중첩 상태를 만들어낸 거예요.

 

슈뢰딩거의 사고실험에서 고양이는 살아있으면서 동시에 죽어있는 상태가 됩니다. 물론 실제 고양이로는 불가능하지만 Berkeley 팀은 칩 위에서 이와 유사한 양자 중첩 상태를 만들어낸 거예요.

 

회로는 전압이 0인 상태와 전압이 있는 상태 사이를 양자터널링으로 이동했습니다. 물론 고양이보다는 훨씬 작지만 수십억 개의 쿠퍼쌍이 하나의 양자 상태를 공유한다는 점에서 양자물리학적으로는 충분히 '거시적'인 시스템이었습니다.

 

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4. 파급효과: 거시적 양자터널링이 연 새로운 시대

4.1 양자컴퓨팅: 꿈에서 현실로

이 발견은 초전도 큐비트 개발의 직접적인 토대가 되었습니다.

 

2025 노벨 물리학상 수상자 중 한 명인 Martinis는 이후 Google Quantum AI에서 2019년 '양자 우위'를 달성한 시카모어 프로세서 개발을 주도했고 현재는 Qolab의 CTO로 활동 중입니다.

 

Google의 Sycamore와 IBM의 양자 우월성 논쟁은 이 분야가 얼마나 빠르게 발전하고 있는지 보여주는 좋은 예시입니다.

 

트랜스몬(Transmon)이라는 개선된 큐비트 설계도 이 연구에서 시작되었습니다.

 

2025년 현재 IBM, Google, 그리고 많은 양자컴퓨터 스타트업들이 사용하는 핵심 기술이죠. 거시적 양자터널링 원리를 활용한 양자컴퓨터는 이제 실용화 단계에 접어들고 있습니다.

 

4.2 극한의 정밀도: SQUID 센서의 발전

 

SQUID 센서의 혁신적 응용

응용 분야	활용 사례	측정 민감도	실제 응용
의료 진단	뇌자도(MEG)	펨토테슬라	뇌전증 진단, 뇌기능 매핑
지질 탐사	광물 자원 탐지	나노테슬라	희토류 탐사, 석유 탐사
기초 과학	암흑물질 검출	극미세 자기장	액시온 검출 실험
국방	잠수함 탐지	피코테슬라	심해 자기 이상 감지

 

SQUID는 조셉슨 효과와 플럭스 양자화를 이용해 초미세 자기장을 읽는 센서입니다.

 

지구 자기장의 100억분의 1까지 측정할 수 있어요. 이는 1964년에 개발된 이후 지속적으로 발전해 왔으며 뇌자도(MEG) 측정 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

 

4.3 2023년 그리고 그 이후: 계속되는 혁신

2023년에는 스위스 연구팀이 30미터 길이의 극저온 시설에서 초전도 회로를 이용해 루프홀-프리 벨 부등식 위반을 시연했습니다. 이 획기적인 성과는 Nature 논문에 발표되어 초전도 회로 기술이 여전히 발전하고 있음을 보여줍니다.

 

2025년 현재 생명체의 광합성 효율이나 철새의 자기 나침반에서도 비슷한 거시적 양자현상의 흔적을 찾는 연구가 활발합니다.

 

자연은 이미 수백만 년 전부터 양자 현상을 활용하고 있었을지도 모릅니다. 이러한 연구들은 Berkeley 실험에서 시작된 거시적 양자터널링 연구의 연장선상에 있습니다.

 

 

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"양자역학은 미시세계만의 법칙이다"라는 100년 된 상식이 깨졌습니다.

 

거시적 양자터널링의 발견은 양자역학이 크기와 무관한 보편 법칙임을 증명했어요. 2025 노벨 물리학상이 이 발견에 수여된 것은 과학계가 이 패러다임 전환의 중요성을 인정했다는 의미입니다.

 

이는 단순한 과학적 발견을 넘어 우리의 세계관을 바꾸는 철학적 전환점입니다. 일상과 양자세계 사이의 경계는 절대적이지 않으며 적절한 조건만 갖추면 우리 손안의 칩도 양자역학을 따를 수 있다는 거죠.

 

물리학자 Richard Feynman은 "양자역학을 이해한다고 말하는 사람은 양자역학을 이해하지 못한 것"이라고 했습니다. 하지만 이제 우리는 최소한 양자역학을 '만질 수' 있게 되었습니다.

 

2025 노벨 물리학상은 1984-1985년 UC Berkeley의 작은 실험실에서 시작된 도전에 수여되었습니다.

 

John Clarke, Michel Devoret, John Martinis 세 과학자는 초전도 회로에서 거시적 양자터널링과 에너지 양자화를 동시에 관측해 양자역학이 원자만의 법칙이 아님을 증명했어요. 이 Berkeley 실험은 양자물리학의 새로운 지평을 열었습니다.

 

한때 '보이지 않는' 추상적 이론이었던 양자역학이 이제는 손으로 만질 수 있는 칩 위에서 직접 측정되고 제어되는 공학이 되었습니다.

 

거시적 양자터널링의 발견은 양자컴퓨터, 초정밀 센서, 그리고 아직 상상도 못한 미래 기술의 문을 열었습니다.

 

2025 노벨 물리학상은 이러한 혁명적 발견의 중요성을 재확인했습니다.

 

40년 전 Berkeley 실험실의 극저온 냉동기 속 1센티미터 칩이 오늘날 전 세계 양자 혁명의 시작점이었다니. 과학의 위대함은 바로 이런 것 아닐까요?

 

다음 노벨상은 또 어떤 불가능을 가능으로 바꿀까요? 양자 세계의 비밀은 이제 막 시작입니다.

 

 

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FAQ (자주 묻는 질문)

Q1. ‘거시적 양자터널링’이란 무엇인가요?

A. 전자 한 개가 아니라 회로의 집합 자유도(초전도 위상)가 퍼텐셜 장벽을 확률적으로 통과하는 현상입니다. 실험에선 조셉슨 접합의 스위칭 통계가 온도와 무관해지는 구간을 관측해 열활성(고전적)과 구분했죠.

 

Q2. 왜 ‘거시적’이라고 부르나요? 실제로 큰 물체가 장벽을 통과하나요?

A. 크기가 크다는 뜻이 아니라 수십억 개 쿠퍼쌍이 공유하는 ‘위상’ 같은 거시적 자유도가 양자 규칙을 따른다는 의미입니다. 볼 수 있는 구슬이 통과하는 게 아니라, 집합 변수가 장벽을 터널링합니다.

 

Q3. 에너지 양자화는 무엇이며, 이번 수상과 어떻게 연결되나요?

A.회로가 이산 에너지 준위를 가지며, 특정 주파수 마이크로파에서만 전이가 일어납니다. 같은 장치에서 공명 피크(분광)를 측정해 양자화의 직접 증거를 제시했습니다. 

 

Q4. ‘빨랫판 퍼텐셜’은 실제 장치와 어떤 관계가 있나요?

A. 전류로 기울기를 조절하는 조셉슨 접합의 유효 퍼텐셜을 직관적으로 그린 그림입니다. 골짜기(우물)에서의 탈출률이 열활성 → 양자터널링으로 지배 메커니즘이 전환되는 지점을 찾는 데 쓰입니다.

 

Q5. ‘온도와 무관’해지는 스위칭이 왜 터널링의 증거인가요?

A. 열로 넘는 과정이면 온도↓ → 탈출률↓가 지속돼야 합니다. 그런데 크로스오버 이하에서 포화되면 더 이상 열이 아니라 양자 확률이 지배한다는 뜻이죠. 실험에선 잡음 차폐 후 이 포화 구간을 정량 확인했습니다.

 

Q6. 조셉슨 접합과 SQUID는 모두 터널링 장치인가요?

A. 둘 다 조셉슨 효과를 이용하지만 SQUID의 작동 원리 자체는 ‘플럭스 양자화+조셉슨 효과’입니다. 거시적 양자터널링은 이번 노벨상의 핵심 현상이고, SQUID는 초민감 자기장 센싱에 쓰이는 대표 응용입니다. 

 

Q7. 이 실험이 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 만들었다는 말이 맞나요?

A. 비유적으로 거시적 자유도의 중첩·터널링을 보여줬다는 뜻입니다. 실제 고양이처럼 생물학적 개체의 중첩이 아니라, 칩 위 회로 상태의 양자적 이동을 말합니다.

 

Q8. 트랜스몬 큐비트와 이번 수상은 어떤 연결이 있나요?

A. 같은 초전도 회로 양자공학 계열입니다. 탈분극·탈위상 억제, 분광·판독(cQED) 등 핵심 기법이 거시적 양자현상 검증에서 이어졌고, 이후 트랜스몬/공진기 결합으로 현대 초전도 큐비트가 발전했습니다.

 

Q9. ‘양자 우위(우월성)’와 이번 노벨상은 같은 주제인가요?

A. 아니요. 양자 우위는 특정 계산 과제에서 양자가 고전 컴퓨터를 능가했음을 보인 시스템 성능의 이정표(예: 2019 Sycamore)이고, 이번 상은 자연 현상의 원리(거시적 양자터널링·에너지 양자화)의 기초적 실험 검증에 대한 수상입니다.

 

Q10. 벨 부등식 위반과도 관련이 있나요?

A. 직접 주제는 아니지만, 초전도 회로 플랫폼이 2020년대에 루프홀-프리 벨 위반 등 기초 검증 실험을 가능하게 한 건 사실입니다. 즉, 같은 하드웨어 생태계에서 다양한 기초 물리 검증이 진행되었습니다.

 

Q11. 이 현상은 상온이나 일상 환경에서 볼 수 없나요?

A. 현 단계에선 극저온·저잡음 환경이 필요합니다. 열·마이크로파 잡음이 크면 코히런스와 양자 효과가 빠르게 사라져 터널링/분광 신호가 묻힙니다. 따라서 실험실 인프라가 필수입니다.

 

Q12. 대학/랩에서 재현 가능한가요? 어떤 데이터가 핵심인가요?

A. 적절한 장비(희석 냉동기, 필터 체인, 저잡음 측정)와 조셉슨 장치 제작 능력이 있으면 가능합니다. 핵심 데이터는 스위칭 전류 분포의 온도의존성(포화 구간), 마이크로파 공명 피크 그리고 이론 파라미터와의 정량 일치입니다.