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2025년 노벨 물리학상

 (nobelprize.org)
1P by GN⁺ 6일전 | ★ favorite | 댓글 1개
  • 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

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”

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GN⁺ 6일전  [-]
Hacker News 의견

  • 저는 노벨상 수상자에게 전자공학을 배웠음
    물리학 경력과 박사 과정에서 아날로그 전자공학이 제일 어렵고 동시에 가장 보람 있는 수업이었음
    밤새 실험실에서 필터 동작시키려고 씨름했고, 몇 시간 자고 다시 해 뜨기 전에 실험실을 찾았던 기억이 있음
    대부분 미루기 때문이었지만, 그 시절은 정말 멋진 추억임
    그때 제일 이해가 안 되던 개념이 전류원이라는 것이었음
    전압원은 익숙했으나, 전류원은 뭔가 마법 같았음
    Martinis 교수님께 질문했는데, 그분은 내가 왜 이해하지 못하는지 이해를 못하는 눈치였음
    정답은 피드백(피드백 제어)
    좋은 전압원도 피드백이 필요함
    교수님은 피드백이 너무 익숙하다 보니 그게 핵심이라는 걸 언급하지 않았던 건데, 나는 제어 개념 자체를 들어본 적이 없었음
    결국 교수님 랩에 학부 연구원으로 지원했으나 거절당함
    개인적으로 전류원 개념을 이해 못한 것 때문이라고 생각하지만, 지원 시기가 늦어서 그럴 수도, 아니면 A- 성적(미루기 때문) 때문이었을 수도 있음
    결국 생체물리학 연구자에게 찾아갔고, 그때부터 완전히 다른 길인 생체물리학자가 되었음
    지금 돌이켜보면 운이 좋았다고 생각함
    생체물리학이 내 인생의 한 부분이 될 줄 몰랐음
    물론 양자 물질이나 QI/QC 분야로 갔어도 재밌었을 수도 있음
    지금은 Mike and Ike(교과서)로 공부 중이며 정말 흥미롭게 느끼고 있음
    박사 학위 이후에는 산업 제어 & 자동화 스타트업 공동창업을 했음
    이제는 피드백, 그리고 전류원에 대해 꽤 잘 이해하고 있음 (오래 걸렸지만 결국 배움)
    (참고로, 좋은 전압원은 저항을 조절하고, 좋은 전류원은 전압을 조절한다는 점도 중요함. 내가 전류원이 더 어렵게 느껴졌던 이유는, 전압원(배터리)에 너무 익숙했던 탓이 큼. 사실 더 비판적으로 접근했어야 했음. 실제로는 이상적인 전압원(매우 높은 저항)은 비교적 쉽게 만들 수 있지만, 이상적인 전류원(0 저항)은 정말 어렵다는 점도 알게 됨)

    • "좋은 전압원은 저항을 조절하고, 좋은 전류원은 전압을 조절한다"는 말이 약간 혼동을 줄 수 있을 것 같음
      전압원이 전류를, 전류원이 전압을 조절한다는 의미인지 물어보고 싶음 (별 의미 없을 수도 있지만, 그냥 궁금해서 적어봄)

    • 만약에 이상적인 전류원을 만들어서 50mA로 맞춘 다음 누군가에게 찌른다면 꽤 무서울 것 같음

    • "잘 이해하고 있음*"이라고 쓴 건 오타였음 (수정이 안 되어서 아쉬움)

    • 피드백 없이 비효율적이지만 고정 전류원을 만드는 방법도 가능함

      1. 회로에서 전류를 소비하는 쪽의 최대 저항을 측정
      2. 그 저항보다 몇 배나 더 큰 저항을 준비
      3. 큰 저항에 아주 큰 전압원을 연결해서 원하는 전류가 흐르도록 세팅
      4. 전류를 소비하는 회로를 이 큰 저항과 직렬로 연결해서 동작시키면 됨

  • Fred Ramsdell이 이번에 2025년 노벨 생리의학상을 수상했음
    현재 완전히 "오프그리드" 하이킹 중이라 연락이 안 되고 있다고 함
    관련 기사

  • Devoret와 Martinis도 실제로 양자공학을 새로운 단계로 이끌고 있음
    Devoret는 Google Quantum AI에서, Martinis는 Qolab에서 활동 중임
    내 친구도 Devoret와 함께 박사 과정을 하고 있고, Martinis와 일하는 사람도 알고 있음
    이번 노벨상으로 두 분 모두 여러 초청 강연과 기조연설 요청을 받을 테니, 지도교수님 얼굴 다시 볼 수 있을지 궁금함

    • 초청 강연은 대부분 본인이 선택할 수 있지만 한 가지 예외가 있음
      노벨상 규정에 따르면, 수상자는 노벨상 선정 기관에서 선정된 주제로 6개월 이내에 반드시 한 번의 강의를 해야 한다는 룰이 있음
      2024년 노벨 물리학상(신경망의 뿌리 관련) 강의도 시상식 직전 열린 바 있고, 스웨덴 방송 교육 채널과 YouTube에서 시청 가능함
      관련 영상 링크

    • Devoret가 Schoelkopf 없이 단독으로 주목받는 모습이 조금 낯설게 느껴짐

  • UCSB 물리학과에서 시간 보내며 Martinis 교수를 만났음
    Martinis 교수는 실험 물리학자 중에서도 전자공학과 계측에 대해 일반적인 전기공학 전공자보다 훨씬 더 많은 지식을 가지고 있었음
    교수님이 개발한 회로, 문서, CAD 파일 등의 자료를 위키 형태로 공유했었고, 전자장비 제어를 위한 오픈소스 소프트웨어도 공개했었음
    UCSB가 또 한 번 노벨상을 받게 되어 자랑스러움

    • UCSB 물리학과를 응원하고 싶음

  • Martinis가 수상한 노벨상 관련 연구는 대부분 NIST(미국 표준기술연구소, 상무부 소속)에서 진행된 것이란 점도 언급할 필요가 있음

  • 이러한 양자 현상 및 거시적인 양자효과가 왜 중요하고 흥미로운지 이해하고 싶다면 Anil Ananthaswany의 “Through Two Doors at Once”를 추천하고 싶음

    • 혹시 이게 이중 슬릿 실험(double slit experiment)을 다루는 책인지 궁금함

  • University of California, Berkeley와 University of Cambridge가 계속해서 뛰어난 노벨상 수상자 동문 명단을 확장하는 모습을 보는 게 멋짐
    Paris-Sud University는 처음 들어봤는데, 이로써 해당 대학 출신 네 번째 노벨상 수상자가 탄생하는 셈임

    • 프랑스 고등교육 시스템은 미국과 완전히 다름
      교육과 연구 기관이 분리된 경우도 많고, 많은 연구와 학위가 여러 대학/연구기관의 합작으로 이루어짐
      예를 들어 하나의 연구실이 5개의 학교와 3개의 국립 연구소가 함께 운영되기도 하고, 학생이 여러 기관의 공동 학위 프로그램을 통해 다른 학교 명의의 학위를 동시에 받기도 함
      그래서 외부 입장에서 전체 구조를 이해하기 어려운 편임

  • 문과스러운 질문이 있는데
    "벽에 던진 공은 항상 튕겨 나오는데, 미시세계의 입자는 장애물을 그냥 관통해 다른 쪽에 나타날 수 있다. 이것을 터널링이라 한다"
    이 현상이 실제로 입자가 벽에 부딪히지 않고 미세 공간을 통해 통과하는 걸 의미하는지, 아니면 더 신기한 일이 벌어지는 건지 궁금함

    • 질문이 전혀 어리석지 않음
      고전적으로는 입자가 벽을 요리조리 피해 지나가는 걸 상상할 수 있음
      하지만 양자역학의 터널링은 완전히 다른 개념임
      여기서 "벽"은 실제 물체라기보다 에너지 장벽을 의미함
      고전적으로는 입자가 그 장벽을 넘어갈 에너지가 없으면 절대 통과하지 못하지만, 양자역학에서는 입자가 파동성을 띠며, 파동함수의 진폭이 장벽을 지나면서 감소하긴 해도 0이 되진 않음
      그 결과 장벽 반대편에도 입자가 존재할 확률이 아주 작지만 존재하게 되어, 실제로 측정해 보면 반대편에서 발견될 수 있음
      이번 노벨상 수여 배경이 되는 실험의 대단한 점은, 전자 같은 단일 입자가 아닌, 거시적인 파동함수를 공유하는 많은 입자가 동시에 터널링된 것이 측정되었다는 것임
      이들은 파동함수가 장벽을 뛰어넘어 연결된 '코히런트 상태'로, 그 결과 장벽 반대편에도 유의미한 확률 진폭이 남아 관측 자체가 가능했음

    • 더욱 신기한 현상이 맞음
      하나의 입자가 저에너지 상태 A에 있다가, 중간의 높은 에너지 상태 B를 거쳐, 다시 낮은 에너지 상태 C로 이동해야 하는 상황을 상상해보면 됨
      고전적으로는 외부 에너지가 공급되지 않으면 A에서 C로 못 가겠지만, 실제론 입자가 에너지 없이도 C로 순간이동하듯 이동하는 현상이 관측됨
      이때 입자가 정말 B를 거쳤는지 의문이 남음 (실제로는 B를 지나지 않은 것처럼 보인다고 이해하면 됨)

    • 이 현상의 단순화된 버전은 "포텐셜 장벽" 개념과 비슷함
      공이 언덕(에너지 장벽) 앞에서 충분한 속도가 없으면 넘지 못하듯이, 고전역학에서는 입자가 장벽을 넘으려면 충분한 에너지가 있어야 함
      하지만 양자에서는 에너지가 부족해도, 파동함수가 장벽 안에서 지수적으로 감소하면서도 아예 0이 아닌 값이 남아, 그 결과 반대편에서 입자가 보일 확률이 존재함

    • 양자역학에서는 "공"(혹은 이상적인 입자)에 파동함수가 따라다님
      이 파동함수를 계산해 보면, 벽 건너편에도 입자가 존재할 확률이 0이 아닌 값이 남게 됨
      혹시 더 깊은 설명이 있을 수 있겠지만, 내가 이해한 바로는 이렇다는 점을 공유하고 싶음

    • 여기서 말하는 "단일 입자"는 우리가 아는 고전적인 공과 같은 입자가 아니라, 상황에 따라 파동이자 입자로 동작하는 "양자 객체"임
      확실히 신비로운 개념임

  • 오늘 아침 뉴욕타임즈 기사도 읽어봤는데 만족스럽지 않았음
    그래서 HN에 들어와 더 나은 정보를 찾고 싶었고, 실제로 더 나은 기사와 설명을 발견해서 만족스러웠음
    여기에 소개된 기사는 고등학생 수준이지만, 은퇴한 물리학 박사 입장에서 실험과 이론을 잘 이해할 수 있었음

  • 매년 노벨 물리학상에서 어떤 혁신적인 발견이 주목받을지 늘 기대됨
    앞으로도 최신 발전에 대해 배우게 될 생각에 설렘이 큼

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