[기고] 양자물리, 관점이 현실로…

올해의 노벨 물리학상도, 지난 2022년 벨의 부등식 실험증명에 이어 양자 실험 분야에서 나왔다. 양자역학 수립 100주년으로 UN에서 선정한 세계 양자과학기술의 해(IYQ)에 의미있는 수상이 아닐 수 없다.

양자역학은 새로운 현상의 발견을 이야기하는 것이 아니고, 현상을 보는 새로운 관점에 관한 것이다.

지동설 전의 천동설이 이미 행성 움직임을 잘 설명했지만, 지동설 관점을 가짐으로써 비로소 인류는 태양계 밖 우주도 잘 이해할 수 있게 된 것과 같다.

올해와 2022년 노벨 물리학상은 공통적으로, 눈에 보이지 않던 양자역학적 관점을 현실 응용에 활용할 수 있는 수준의 실험으로 증명하였다는 데 의의를 둔 것으로 보인다.

아인슈타인도 이상하게 생각했던, 코펜하겐 학파의 양자역학이 이야기하는 현상인, 상태의 중첩과 얽힘은 파동의 결맞음성에 기인한다. 문제는 이러한 현상이 원자 크기의 미시적 세계에서만 관측 가능하다는 것이다.

올해 수상자인 미국 존 클라크, 미쉘 드보레, 존 마티니스 캘리포니아대학 교수들은 1980년대 중반 함께 같은 연구를 하던 그룹이다. 극저온에서의 초전도 현상을 이용, 거시적 전기회로에서도 파동의 결맞음성이 유지되도록 하여 양자 터널링 현상을 관측하였다. 초전도체 사이에 얇은 부도체를 삽입한 조셉슨 접합이라는 전기 소자를 이용하여 실험했다.

필자가 한국표준과학연구원(KRISS)에서 초전도 연구센터장을 맡고 있을 때, 수상자인 존 클라크 교수와는 연구 분야가 같아 여러 학회에서 같이 활동했다. 한국으로도 여러 번 초청하고, 미국 버클리대학으로 연구원을 파견해서 협력 연구도 진행했었다.

지난 2016년 존 클라크 교수의 연구 50주년 기념 축하회에도 초대되어 참석했었는데, 클라크 교수는 캐임브리지 석사과정이던 지난 1966년 1월, 'SLUG' 라고 명명한 초전도양자간섭장치(스퀴드, SQUID)를 만들었고, 이를 본인의 연구 원년으로 하여 그간 배출했던 많은 제자와 동료들과 파티를 열었었다.

초전도양자간섭장치는 위에 언급한 조셉슨 접합을 초전도 링으로 연결한 전자소자로 인류가 개발한 가장 정밀한 양자 센서이다. 이름에서 알 수 있듯 초전도 현상을 이용해 거시적 전자회로 수준에서도 양자 결맞음 상태가 유지되어, 서로 간섭하는 현상을 관찰할 수 있도록 한 장치이다.

지난 2016년 존 클라크 연구 50주년 기념 축하회에서 김기웅 충북대 물리학과 교수(왼쪽)이 존 클라크 버클리대 물리학과 교수(중앙)와 기념촬영했다. 오른쪽은 황성민 한국표준과학연구원 책임연구원.(사진=김기웅 교수)

말하자면 거시적으로 만든 인공원자라고 볼 수 있다. 원자의 전자 궤도가 양자화되어 있듯, 초전도 링 안에는 양자화된 자기장만이 들어갈 수 있고 자기장의 변화에 따라 초전도 차폐 전류가 변화하며 조셉슨 접합 양단에 생성하는 전압을 측정하여 자기장을 정밀하게 측정하는 것이 가능하다.

자를 써서 길이를 재면 밀리미터(mm) 수준의 오차 내 측정이 가능하고, 결맞음 빛의 간섭을 활용하면 나노미터 수준의 오차로 길이를 측정할 수 있듯이, 최고 감도의 고전적 자기장 센서가 나노 테슬라 수준의 감도를 갖는다면, 스퀴드는 양자적 간섭을 통해 백만 배 더 정확한 자기장을 측정하는 것이 가능하다.

스퀴드는 자기장뿐만 아니고, 다양한 물리량을 전류로 변환하여 자기장의 형태로 측정할 수 있다. 즉, 초전도 양자컴퓨팅 큐비트 상태 증폭, 우주의 암흑물질(Axion) 측정, 뇌 및 심장의 생체자기장 측정, 극저자장 핵자기공명 측정 등 첨단 물리 연구 분야에서는 반드시 스퀴드가가 활용된다고 해도 과언이 아니다.

존 클라크는 'SLUG'의 제작으로 ‘스퀴드의 아버지’라고 불리운다. 앞서 기술했듯이 노벨상을 수상한 초기 초전도 터널링 실험을 포함한 스퀴드 연구를 통해, 수상자들은 미시적으로만 이해했던 양자 우월성을 거시적 세계에서 실현시켰다.

양자컴퓨터는 미래 게임체인저 기술로 세계적으로 관심을 받고 있다. 현재 양자컴퓨팅 산업을 선도하는 기술 플랫폼이 초전도 큐비트이고, 일반적으로 활용되는 초전도 트랜스몬 큐비트는 조셉슨 접합의 특성을 활용해 에너지를 양자화한 인공원자라고 생각할 수 있다.

수상자들은 존 클라크와 공동연구를 진행했던 기초 연구에서부터 인연이 시작됐다. 존 마티니스는 2015년부터 구글에서 초전도 큐비트 기반 양자컴퓨터 개발을 주도했다. 미셸 드보레도 예일대에서 양자컴퓨터의 실용화 연구를 진행했으며 구글 퀌텀 AI의 수석연구원으로도 활동 중이다.