양자 컴퓨터를 가능케 한 발견들, 노벨 물리학상 수상

칩 상의 양자 효과를 입증한 세 명의 개척자에게 노벨상의 영예가 돌아가다

2025년 10월 7일, Royal Swedish Academy of Sciences는 양자 역학을 원자 영역에서 거시적 전기 회로로 끌어낸 실험적 공로를 인정하여 John Clarke, Michel H. Devoret, 그리고 John M. Martinis에게 노벨 물리학상을 수여했다. 이들의 획기적인 연구는 오늘날의 superconducting qubits와 현대 quantum computing 산업의 근간이 되었다. (nobelprize.org)

이 상이 중요한 이유

양자 역학은 원자, 전자, 광자를 지배하는 법칙으로 잘 알려져 있다. 수십 년 동안 시스템이 얼마나 커질 수 있는지, 그리고 고전적으로 금지된 상태 간의 터널링이나 불연속적이고 양자화된 에너지 준위를 갖는 것과 같은 진정한 양자 거동을 여전히 보여줄 수 있는지는 미해결 과제였다. 노벨 위원회는 손에 쥘 수 있을 만큼 큰 전기 회로에서 이러한 효과를 입증한 1980년대의 일련의 실험들을 높이 평가했다. 이는 공학적 장치에서 양자 현상을 활용 가능하게 만든 결정적인 단계였다. (nobelprize.org)

수상자들의 구체적인 성과

이들 세 명은 초전도체 사이에 얇은 절연층을 끼워 넣은 Josephson junction을 기반으로 구축된 회로를 측정했다. 밀리켈빈 온도로 냉각되었을 때, 이 장치들은 기본적으로 양자 입자처럼 행동하는 회로 변수인 집단 자유도(collective degrees of freedom)를 지원한다. 실험을 통해 회로가 0전압 상태에서 유한 전압 상태로 터널링할 수 있으며, 동일한 장치가 불연속적인 에너지에서만 마이크로파를 흡수하여 양자화된 준위를 드러낸다는 점을 보여주었다. 이러한 관측은 한때 원자에 국한된 것으로 생각되었던 양자 규칙이 거시적 전기 회로에서도 나타날 수 있음을 입증했다. (sciencenews.org)

실험실의 호기심에서 큐비트로

입증 단계에서 응용 단계로의 도약이야말로 이 연구를 그토록 중대하게 만든 이유다. Josephson junction 실험에서 활용된 것과 동일한 물리학은 현재 많은 연구 그룹과 기업에서 사용하는 작은 회로 기반 양자 비트인 superconducting qubits의 기초를 제공한다. superconducting qubits는 회로의 집단 전기 변수에 양자 정보를 인코딩하며, 불연속적인 에너지 준위를 생성 및 제어하고 계산에 충분할 만큼 긴 시간 동안 결맞는 중첩(coherent superpositions) 상태를 보존하는 능력에 의존한다. 요컨대, 수상자들은 개념적 가능성을 실질적인 하드웨어 원리로 변환했다. (nobelprize.org)

수십 년에 걸친 여정

초기 관측 이후, 이 분야는 더 나은 재료, 개선된 제작 공정, 그리고 결맞음 시간을 늘리고 2큐비트 게이트를 가능하게 한 독창적인 회로 설계를 통해 꾸준히 발전해 왔다. John Martinis는 초전도 양자 프로세서의 실질적인 개발에서 중심적인 인물로 남았으며, 이후 양자 장치가 고전 슈퍼컴퓨터의 능력을 벗어나는 작업을 수행하는 시점인 '양자 우위(quantum advantage)'를 입증하기 위한 세간의 이목을 끄는 노력을 주도했다. Michel Devoret은 기초 실험과 공학적 양자 하드웨어 사이의 경계를 계속 넓혀 나갔으며, 초전도 회로를 제어하고 측정하는 기술에 기여했다. John Clarke의 초기 정밀 실험과 검출기 개발 또한 이 분야의 궤적에 영향을 미쳤다. 이들의 기여는 기초 물리학에서 현재 상업적 개발 단계에 있는 기술에 이르기까지 폭넓게 걸쳐 있다. (sciencenews.org)

오늘날 quantum computing의 현주소

초전도 큐비트는 여러 주요 하드웨어 접근 방식 중 하나다. 이들은 점점 더 복잡해지는 알고리즘, 수십 개의 큐비트에 걸친 얽힘, 그리고 고전적 컴퓨터로 수행하기 어려운 계산 작업의 표적 시연을 입증해 왔다. 그러나 여전히 큰 장애물이 남아 있다. 현재 장치는 노이즈가 많고, 큐비트 수는 수십 배 더 증가해야 하며, 많은 유용한 애플리케이션을 안정적으로 실행하기 위해서는 오류 수정이 필수적이다. 노벨상이 인정한 발견들은 하드웨어 패러다임을 확립했지만, 해당 하드웨어를 결함 허용(fault-tolerant) 기능을 갖춘 범용 양자 컴퓨터로 확장하는 것은 여전히 진행 중인 공학적 및 과학적 과제다. (theguardian.com)

광범위한 영향: 센서, 암호학 및 그 너머

계산을 넘어, 이 실험들에서 탄생한 기술들은 초정밀 검출기와 센서를 가능하게 했다. 예를 들어, 미세한 자기장을 감지하는 초전도 장치는 기초 물리학에서 의료 영상에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다. 양자 프로세서의 부상은 사이버 보안에 대한 관심도 촉발했다. 강력한 양자 컴퓨터는 언젠가 기존의 공개 키 암호화를 위협할 수 있으며, 이는 양자 내성 암호(quantum-resistant cryptography)에 대한 전 세계적인 연구를 가속화하고 있다. 노벨상 수여 문구는 수상자들의 발견이 양자 암호, 센서 및 컴퓨팅의 기회를 열었음을 명시적으로 언급했다. (nobelprize.org)

이번 수상이 해당 분야에 주는 신호

노벨상은 발견 그 자체뿐만 아니라 그 장기적인 중요성도 인정한다. 거시적 quantum tunnelling에 대한 이번 수상은 기초적인 호기심에서 기술적 플랫폼으로의 전환—전 세계의 실험실과 스타트업에서 결실을 맺고 있는—이 20세기 후반과 21세기 초를 정의하는 과학적 발전 중 하나임을 확언하는 것이다. 또한 이번 결정은 실험적 제어와 저온 공학의 진보가 양자 과학에서 가능한 영역을 어떻게 재편했는지를 강조한다. (nobelprize.org)

남겨진 과제와 나아갈 길

노벨상의 인정에도 불구하고, 이 분야는 아직 성숙과는 거리가 멀다. 연구의 핵심 영역으로는 결맞음 시간 개선, 확장 가능하고 효율적인 오류 수정 체계 고안, 손실과 노이즈를 줄이기 위한 재료 및 제작 공정 개선, 그리고 양자 프로세서가 경제적으로 의미 있는 방식으로 고전적 대안을 능가하는 킬러 애플리케이션을 찾는 것 등이 포함된다. 발전 속도는 빨라지고 있지만, Josephson junction의 물리학을 광범위하고 결함 허용 가능한 quantum computing으로 변환하는 데는 학계, 산업계 및 국립 연구소의 지속적인 노력이 필요할 것이다.

마치며

2025년 노벨 물리학상은 미시 세계에 대한 추상적인 이론이었던 양자 역학을 설계, 확장 및 제품화가 가능한 기술 플랫폼으로 프레임을 바꾼 일련의 실험들을 기린다. 손에 쥘 수 있는 회로에서 quantum tunnelling과 양자화된 에너지를 보여준 이러한 전환은 현대 양자 생태계의 초석 중 하나다. 연구자들이 다음 단계의 공학적 난제들을 해결해 나감에 따라, 수상자들의 업적은 양자 물리학이 사고 실험에서 장치로 이동한 역사의 기초적인 장으로 남을 것이다.