노벨상이 증명한 ‘양자의 반란’ 거대한 세계에서도 통하는 작은 법칙

양자컴퓨터가 미래의 핵심 기술이라는 건 다들 알지.
근데 그걸 가능하게 만든 실험이 뭔지, 누가 그 불가능을 현실로 만든 건지 아는 사람은 거의 없어.
2025년 노벨 물리학상은 바로 그 “불가능한 실험”을 해낸 사람들에게 돌아갔어.

 

작은 세계의 법칙이 큰 세계에서도 통한다고?

양자역학은 말 그대로 ‘작은 세계’의 물리야.
전자나 원자처럼 미세한 입자들이 0이면서 1이고, 여기 있으면서 저기에도 있는 신비한 세계.
그런데 이건 늘 미시 세계의 이야기였지. 우리가 사는 거시 세계에서는 절대 그런 일은 없다고 믿었어.

그런데 1980년대, 세 명의 연구자가 세상을 뒤집었어.
존 클락, 미셸 데보레, 존 마티니스 - 교수, 박사후연구원, 대학원생으로 이루어진 소규모 팀이
“거시적 규모에서도 양자현상이 일어난다”는 걸 실험으로 증명해버린 거야.
그 씨앗이 40년 만에 노벨상으로 돌아온 거지.

 

초전도체, 전자가 춤추는 ‘마법의 도로’

일반 전선 속 전자들은 마치 술 취한 사람처럼 비틀거리며 이동해. 부딪히고, 막히고, 그래서 열이 생기지.
그런데 초전도체에선 온도를 극한(-273도 근처)으로 낮추면, 전자들이 질서 정연하게 파동처럼 움직이기 시작해.

비유하자면 이래.
평소엔 각자 제멋대로 출근하던 사람들이 어느 날 갑자기 군대식 대형으로 움직이는 거야.
이게 바로 초전도 상태. 길(전선)이 너무 매끈해서 방해물이 하나도 없는 거지.

 

벽을 통과하는 전자,  ‘양자 터널링’

이쯤 되면 진짜 영화 같아. 전자들이 벽을 통과해버린다는 거야.
이걸 ‘양자 터널링(Quantum Tunneling)’이라고 불러. 물리학자 조셉슨은 초전도체 두 개 사이에 절연체를 껴 넣었어.
원래 전류가 안 흘러야 하는데, 초전도 상태에서는 전자가 파동이라 그냥 뚫고 지나가버린 거야.
이게 바로 ‘조셉슨 접합’, 그리고 1973년 그걸로 이미 노벨상을 받았지.

 

2025년 노벨상은 뭐가 다르냐고?

이번엔 한층 더 극적이야. 연구진은 전류가 이유 없이 갑자기 점프하는 현상을 관측했어.
0에서 13으로 ‘순간이동’하듯이 튀는 거야. 에너지를 주지 않았는데도 산을 넘어버리더라는 거지!! 왜냐면, 파동이니까.

더 놀라운 건, 회로의 에너지가 연속적인 값이 아니라 ‘양자화된 층’으로 존재한다는 걸 보인 거야.
1층, 2층은 있어도 1.5층은 없는 것처럼. 이건 원자 수준에선 이미 알려진 현상이지만,
이제는 거대한 회로에서도 확인된 거야. 이게 바로 “거시 세계에서도 양자법칙이 통한다”는 증거지.

 

양자컴퓨터의 핵심 원리! 큐비트

에너지가 층으로 존재하면, 낮은 상태를 ‘0’, 높은 상태를 ‘1’로 정의할 수 있겠지.
그런데 양자 상태는 0이면서 동시에 1이야. 이게 바로 큐비트(Qubit) 개념이야.

오늘날 구글, IBM이 개발하는 초전도 양자컴퓨터가 바로 이 실험 원리를 기반으로 만들어지고 있어. 이 세 명의 연구자가 없었다면,
양자컴퓨터의 현실화는 훨씬 늦어졌을 거야.

 

아직 상용화되지 못한 이유, 냉각과 에러율

1. 냉각
   큐비트를 늘리려면 전선이 많아져야 하는데, 전선(구리)은 열을 너무 잘 전달해. 바깥은 25도인데 내부는 -273도를 유지해야 하니,
   전선 하나하나가 ‘열 폭탄’이 되는 셈이지. IBM이 2023년에 1000큐비트까지는 성공했지만, 그게 사실상 한계였어.
2. 에러율
   현재 양자컴퓨터의 계산 정확도는 약 99.9%. 0.1%의 오류가 계산이 길어질수록 누적돼서, 결국 신뢰성 문제로 이어지는 거야.

[이미지출처: ChatGPT 생성]

 

“사과 떨어진 걸 확인했는데 왜 상이야?”

한 인터뷰에서 진행자가 물었대. “만유인력은 이미 있는데, 사과 떨어진 걸 확인했다고 상을 주는 거냐고.”

교수의 대답은 명쾌했어.
“이론은 수학이지만, 물리학은 현실이다.”
아무리 아름다운 이론이라도 실험으로 증명되지 않으면 그냥 가설일 뿐이야.
그리고 이번 실험은 상상 이상으로 정교한 설계와 창의성이 필요했지.

 

신이 설계했을까?

교수에게 이런 질문도 나왔어. “이런 완벽한 물리 법칙을 보면 신의 존재를 느끼나요?”

교수는 “그렇다”고 했어. 우리가 지구에서 살아갈 수 있게 하는 수많은 조건들이 너무 정교하게 맞아떨어져 있거든.
이게 단순한 ‘우연’일 리가 없다고 말했어. 사막에 전투기 부품을 흩뿌려놓고 수천만 번 흔든다고 조립될 수 있을까?
아니, 결국 누군가 설계한 거야,  그게 자연이든, 신이든 말이야.

 

결국 이 노벨상의 진짜 의미

40년 전의 기초 실험이 지금의 양자컴퓨터로 이어졌어. 거시 세계에서 양자현상을 확인했고,
그게 초전도 큐비트 기술의 토대가 되었고, 지금은 구글과 IBM의 양자시스템으로 진화 중이야.

냉각 기술만 해결되면 ‘만 큐비트 시대’도 멀지 않았다고 해. 기초과학의 씨앗이 40년 후 기술 혁명으로 꽃피운 셈이지.

결국 이 노벨상은 이렇게 말하는 것 같아, “작은 세계의 법칙이 큰 세상을 지배한다.”