사진 National Institute of Standards and Technology / Public domain
2025 노벨물리, 회로 속 양자
전기 회로에서 양자역학을 확인한 2025 노벨 물리학상
물리학 · 전기와 자기 · 물리교육
2025년 노벨 물리학상은 존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스에게 돌아갔습니다. 초전도 전기 회로에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화를 실험으로 보인 공로입니다. 양자 터널링이란, 입자가 넘을 수 없어 보이는 에너지 장벽을 통과하는 현상을 말합니다.
세 사람은 1984~85년, 절대영도 가까이 식힌 초전도 회로가 에너지 장벽을 터널링으로 통과하는 것을 확인했습니다. 미시 세계의 현상으로 알려졌던 양자 터널링이 손바닥만 한 회로 규모에서 나타난다는 점이 핵심이며, 이 연구는 오늘날 초전도 큐비트(양자컴퓨터의 기본 소자)의 토대가 됐습니다.
'전기와 자기' 단원은 회로를 해석하는 여러 개념을 학습합니다. 전류 I=dQ/dt는 단위 시간당 흐르는 전하량이고, 옴의 법칙 V=IR로 전압·전류·저항의 관계를 나타냅니다.
두 도체판 사이에 전하를 저장하는 축전기의 전기용량은 C=Q/V로 정의됩니다. 복잡한 회로는 키르히호프 법칙으로 해석하며, 축전기와 저항이 이루는 회로에서 전하가 쌓이고 빠지는 충·방전 과정을 다룹니다.
노벨상을 받은 실험의 무대는 전기와 자기 단원에서 학습하는 바로 그 회로였습니다. 축전기와 저항으로 이뤄진 초전도 회로의 전기적 상태가 양자역학적 현상을 드러내는 측정 대상이 됐습니다.
축전기에 전하가 쌓이고 빠지는 충·방전을 다루는 회로 개념을 알면, 연구진이 회로의 에너지 상태를 어떻게 제어하고 측정했는지 이해할 수 있습니다. 손바닥만 한 회로 하나로 미시 세계의 양자 현상을 관측했다는 점에서, 회로를 이해하는 일이 양자 기술의 출발점이 됩니다.
노벨상 실험의 회로는 초전도체를 얇은 비전도층으로 갈라 놓은 조지프슨 접합입니다. 절대영도 가까이 식히면 회로 전체가 하나의 양자 상태처럼 행동합니다.
이 회로는 보통이라면 넘지 못할 에너지 장벽을 마치 벽을 그대로 통과하듯 빠져나가는 양자 터널링을 보였습니다. 수많은 전자가 모인 손바닥만 한 회로에서 이런 현상이 나타난 것은, 미시 세계에서만 보이던 양자 효과가 거시 규모로 드러난 첫 사례였습니다.
또한 이 회로는 에너지를 아무 크기로나 흡수·방출하지 않고, 정해진 크기의 덩어리 단위로만 주고받았습니다. 에너지가 띄엄띄엄한 값만 가진다는 양자역학의 예측, 곧 에너지 양자화를 회로 수준에서 확인한 것입니다. 회로의 전기적 상태를 이처럼 정밀하게 제어하고 측정하는 기술이, 오늘날 초전도 큐비트로 이어졌습니다.
생기부 기재 예시
초전도 전기 회로에서 거시적 양자 터널링이 확인된 2025 노벨 물리학상 소식을 접하고 RC 회로와의 연결성에 호기심을 가져 탐구함. 축전기와 저항으로 이루어진 회로의 충·방전 과정을 분석하며 전류 I=dQ/dt, 옴의 법칙 V=IR, 시상수 τ=RC를 바탕으로 전기적 상태가 시간에 따라 달라지는 원리를 체계적으로 정리함. 특히 절대영도 가까이에서 에너지 장벽을 터널링으로 통과한 초전도 회로 사례를 조사하고, 미시 세계의 양자 현상이 거시적 회로에서 드러나는 과정을 논리적으로 설명하는 모습을 보임. 또한 키르히호프 법칙을 활용해 복잡한 회로의 전압·전류 분포를 비교하고, 양자 상태 측정이 가능한 회로 조건을 구체적으로 제시함. 이를 바탕으로 전기와 자기 개념이 초전도 큐비트의 기반이 됨을 발표 자료로 정리함.
* 2026 생기부 기재 가이드라인, MOE Q&A와 FAQ, 메디컬저널 작성 공식 반영