원자의 붕괴부터 태양의 빛까지: 터널링이 만드는 세상

공을 벽에 던지면 당연히 튕겨 나온다. 만약 공이 벽을 그냥 통과해서 반대편에 나타난다면? 우리는 깜짝 놀랄 것이다. 그러나 원자보다 작은 미시세계에서는 이런 일이 실제로 일어난다. 입자가 에너지가 부족한데도 장벽을 통과하는 현상, 이것이 바로 '양자 터널링'이다. 양자 터널링은 실제로 1920년대 후반 발견된 이래 물리학의 핵심 개념으로 자리 잡았다. 

1928년 물리학자 조지 가모프는 터널링으로 특정 원자핵의 붕괴를 설명했다. 우라늄 같은 무거운 원자핵 안에는 알파입자가 강한 장벽에 갇혀 있다. 고전물리학으로는 이 입자가 절대 탈출할 수 없다. 그러나 양자역학의 터널링 덕분에 알파입자는 때때로 장벽을 빠져나와 방사선을 방출한다. 이것이 바로 알파붕괴이다. 더 놀라운 점은 터널링이 없으면 태양이 빛나지 못한다는 사실이다. 태양 중심의 온도와 압력은 사실 양성자 두 개가 서로의 전기적 반발력을 이기고 합쳐지기에 부족하다. 그런데도 핵융합이 일어나는 이유는 양성자들이 터널링으로 장벽을 통과하여 헬륨 핵을 만들기 때문이다. 우리가 햇빛을 받을 수 있는 것도 결국 양자 터널링 덕분인 셈이다.

2025년 노벨 물리학상은 이 신기한 양자 터널링을 눈에 보이는 크기의 시스템에서 실제로 관찰한 세 명의 물리학자에게 돌아갔다. 캘리포니아대학 버클리의 John Clarke, 예일대학의 Michel H. Devoret, 캘리포니아대학 산타바버라의 John M. Martinis는 1984~1985년 일련의 정교한 실험을 통해 손바닥만 한 칩 안에서 수십억 개의 입자가 하나의 거대한 양자 입자처럼 행동하며 벽을 통과하는 모습을 포착했다. 이는 양자역학이 단순히 보이지 않는 미시세계의 이야기가 아니라 거시세계로도 확장될 수 있음을 보여준 역사적 순간이었다.

과거 1973년 노벨 물리학상은 반도체와 초전도체에서 전자가 터널링하는 현상을 발견한 레오 에사키와 이바르 지애버에게 수여되었다. 같은 해 노벨상의 나머지 절반은 브라이언 조셉슨에게 돌아갔다. 조셉슨은 1962년 두 초전도체 사이에 얇은 절연체를 끼워 넣으면 전자 쌍이 저항 없이 터널링한다고 예측했다. 이 '조셉슨 효과'는 곧 실험으로 확인되었고, 1964년에는 극도로 민감한 자기장 측정기인 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)가 개발되었다. 올해 노벨상 수상 실험의 핵심 부품도 바로 이 조셉슨 접합이었다.

슈뢰딩거의 고양이: 양자세계와 일상세계의 경계선

양자역학의 기묘함을 가장 유명하게 표현한 것이 슈뢰딩거의 고양이 사고실험이다. 상자 속 고양이의 생사가 원자핵 붕괴라는 양자 현상에 달려 있다면, 상자를 열어보기 전까지 고양이는 '살아있으면서 동시에 죽어있는' 상태가 된다는 것이다. 슈뢰딩거는 이를 통해 양자역학을 거시세계에 적용하는 것의 부조리함을 지적하려 했다.

실제로 우리 일상에서는 이런 양자 중첩을 경험하지 못한다. 고양이가 '반쯤 살아있는' 상태로 존재하지 않는다. 왜일까? 거시적 물체는 주변 환경과 끊임없이 상호작용하면서 양자적 성질을 순식간에 잃어버리기 때문이다. 이를 '결어긋남(decoherence)'이라고 한다. 하지만 1978년 물리학자 앤서니 레겟(2003년 노벨 물리학상 수상)은 도발적인 질문을 던졌다. "만약 주변과의 상호작용을 극도로 차단한다면 거시적 크기의 시스템에서도 양자 터널링을 관찰할 수 있지 않을까?" 그는 초전도 회로가 좋은 후보라고 제안했다. 초전도체는 전기 저항이 사실상 영(zero)이므로, 환경과의 에너지 손실이 극히 적기 때문이다.

레겟과 그의 제자 칼데이라는 약한 환경 결합이 터널링 속도에 어떤 영향을 미치는지 이론적으로 연구했다. 이제 필요한 것은 실험적 증명이었다. 그러나 이는 엄청난 도전이었다. 극저온에서 모든 외부 잡음을 차단하고, 시스템의 모든 특성을 정밀하게 측정하며, 결과를 이론과 정량적으로 비교해야 했다.

버클리 연구실의 도전: 밀리켈빈에서 잡은 양자의 꼬리

John Clarke는 1968년 영국 케임브리지대학에서 박사학위를 받은 후 미국 캘리포니아대학 버클리로 건너가 초전도체와 조셉슨 접합 연구에 전념했다. 1980년대 중반, 파리에서 박사학위를 받고 온 Michel Devoret와 박사과정 학생 John Martinis가 그의 팀에 합류했다. 세 사람은 거시적 양자 터널링을 의심의 여지없이 증명하겠다는 목표로 뭉쳤다.

실험 장치의 핵심은 '전류 편향된 조셉슨 접합'이었다. 두 개의 초전도체를 아주 얇은 절연체로 분리한 구조다. 이 시스템은 마치 공이 골짜기에 갇혀 있는 것과 비슷하다. 공은 골짜기를 벗어날 에너지가 부족해서 움직이지 못한다. 마찬가지로 조셉슨 접합도 전압이 전혀 나타나지 않는 '제로 전압 상태'에 갇혀 있다. 연구팀은 이 시스템에 흐르는 전류를 서서히 증가시키면서 언제 전압이 나타나는지 측정했다. 이는 마치 골짜기에 갇힌 공에 점점 더 큰 힘을 가하다가 공이 튀어나오는 순간을 포착하는 것과 같다. 이 측정을 수천에서 수만 번 반복하면 통계적 분포를 얻을 수 있다.

온도를 낮추자 흥미로운 일이 벌어졌다. 고온에서는 열에너지로 공이 골짜기를 넘어가지만(열적 활성화), 온도를 계속 낮추면 어느 순간부터 탈출 패턴이 온도와 무관해졌다. 바로 양자 터널링이 주도권을 잡는 온도, '교차 온도'에 도달한 것이다. 하지만 여기서 끝이 아니었다. 저온에서 관찰되는 현상이 진짜 양자 터널링인지, 아니면 실험 장치 어딘가에서 새어 들어온 잡음 때문인지 확실히 해야 했다. 예를 들어 냉동기의 따뜻한 부분에서 나오는 마이크로파가 샘플에 도달하면 양자 터널링을 흉내 낼 수 있다.

연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 엄청난 공을 들였다. 0.1~12 기가헤르츠 주파수 범위에서 200 데시벨 이상 차단하는 필터 체인을 설계했다. 새로 개발된 구리 분말 마이크로파 필터를 포함해 극저온 장치의 각 온도 단계마다 필터를 열적으로 고정했다. 필터 자체가 방출하는 열복사도 통제해야 했기 때문이다. 또한 연구팀은 약하게 결합된 마이크로파 제어선을 추가했다. 이를 통해 시스템의 고유 진동수(플라즈마 주파수)를 측정하고, 환경과의 상호작용 정도를 독립적으로 확인할 수 있었다. 실험 결과를 이론과 비교할 때, 어떤 값도 임의로 조정하지 않고 모두 독립적으로 측정된 값을 사용했다. 이것이 과학적 엄밀함의 핵심이었다.

양자화된 계단을 오르는 거대한 입자

1985년, 연구팀은 마침내 성공을 거두게되는데, 교차 온도 이하에서 측정된 탈출률은 이론 예측과 정량적으로 일치했다. 거시적 양자 터널링이 실제로 일어나고 있었다. 손바닥만 한 칩 위의 초전도 회로에서 수십억 개의 전자 쌍이 마치 단일한 거대 입자처럼 행동하며 함께 터널링했다. 연구팀은 여기서 멈추지 않았다. 그들은 마이크로파를 이용해 더욱 놀라운 현상을 발견했다. 골짜기에 갇힌 시스템이 특정 주파수의 마이크로파를 흡수하면서 더 높은 에너지 상태로 '점프'했다. 그리고 에너지가 높을수록 터널링으로 탈출하는 속도가 빨라졌다. 이것은 양자역학의 또 다른 핵심 특징인 '에너지 양자화'의 증거였다. 마치 계단처럼 에너지가 불연속적인 값만 가질 수 있다는 뜻이다. 연구팀은 첫 번째, 두 번째, 세 번째 에너지 계단에서 터널링하는 것을 각각 관찰했다. 측정된 에너지 간격은 양자역학 계산과 정확히 일치했다.

이는 단순히 많은 입자가 모여 있다는 것을 넘어서서, 수십억 개의 쿠퍼쌍(초전도체의 전자 쌍)이 모두 함께 하나의 양자역학적 파동처럼 행동한다는 증거였다. 개별 원자핵이 터널링하는 것은 이미 알려진 현상이었지만, 센티미터 크기의 회로 전체가 하나의 양자 입자처럼 행동한다는 것은 매우 놀랍고 흥미로운 사실이었다. 

슈뢰딩거의 고양이를 실험실로 불러내다 - 양자컴퓨터로 이어진 40년의 여정

레겟 같은 이론가들은 이 실험을 슈뢰딩거의 고양이와 비교했다. 물론 실제 고양이를 양자 중첩 상태로 만들 수는 없다. 고양이는 환경과의 상호작용이 너무 강해서 양자적 성질이 즉시 사라진다. 그러나 버클리 팀은 '작은 고양이', 즉 수십억 개의 입자로 이루어진 거시적 시스템의 양자적 행동을 보여줬다. 이 시스템은 고양이보다는 훨씬 작지만, 중요한 것은 크기가 아니다. 시스템 전체가 하나의 양자 상태로 기술된다는 점이 핵심이다. 조셉슨 접합의 제로 전압 상태는 일종의 '양자 고양이'였다. 전압이 있는 상태와 없는 상태의 양자 중첩이 터널링을 통해 깨지는 과정을 관찰한 것이다. 이 발견은 양자역학이 원리적으로 거시세계에도 적용될 수 있음을 보여준 셈이다. 다만 환경과의 결어긋남이 너무 빨라서 일상에서는 관찰되지 않을 뿐이다. 반대로 말하면, 환경을 충분히 차단하면 거시적 양자 현상을 볼 수 있다는 뜻이기도 하다.

이 연구의 영향은 기초물리학을 훨씬 넘어섰는데, 1994년 피터 쇼어가 양자컴퓨터로 암호를 깰 수 있는 알고리즘을 발표하자, 제어 가능한 양자비트(큐비트)를 만들려는 경쟁이 시작되었다. 버클리 팀의 연구 덕분에 초전도 회로가 유력한 후보로 부상했다. 1999년 일본 NEC의 나카무라 팀이 처음으로 초전도 큐비트에서 양자 진동을 관찰했다. 비록 3 나노초밖에 지속되지 않았지만, 이는 시작이었다. 이후 '페이즈 큐비트'라는 설계가 등장했는데, 바로 올해 수상자들이 1985년 실험에서 사용한 것과 같은 원리로 터널링을 이용해 큐비트 상태를 읽어냈다.

2000년대 들어 '회로 양자전기역학(circuit QED)'이라는 기술이 개발되면서 큐비트의 결맞음 시간이 극적으로 개선되었다. 큐비트를 마이크로파 공진기에 강하게 결합시키고, 공진기는 전송선에 약하게 결합시키는 방식이다. 이를 통해 양자 상태를 거의 방해하지 않고 측정하는 '양자 비파괴 측정'이 가능해졌다.

오늘날 '트랜스몬(Transmon)'이라는 큐비트 설계가 세계 곳곳의 양자컴퓨터 연구에 사용되고 있다. IBM, 구글, 중국 과학기술대학 등 주요 연구기관들이 초전도 큐비트로 수십에서 수백 개의 큐비트를 제어하는 실험을 진행 중이다. 2019년 구글은 존 마티니스가 이끄는 팀이 53개 초전도 큐비트로 '양자 우월성(quantum supremacy)'을 처음 시연했다고 발표했다.

초전도 회로의 활용은 양자컴퓨터에 그치지 않는다는 점이 가히 놀랍다. 이제 '인공 원자'라는 개념이 확립되었기 때문이다. 조셉슨 접합으로 만든 인공 원자는 진짜 원자보다 크기가 수십억 배 크지만, 양자역학적으로 똑같이 행동한다. 그리고 케이블과 소켓으로 연결할 수 있어서 실험의 자유도가 훨씬 높다. 이를 이용해 다른 양자 시스템을 시뮬레이션하거나, 미세기계 공진기, 심지어 30미터 길이 극저온 장치로 벨 부등식 위반을 검증하는 실험까지 수행되고 있다.