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[강연] 손으로 만질 수 있는 양자역학: 거시 양자 현상과 양자컴퓨터_by 박권 | 고등과학원&카오스재단 '2025 노벨상 해설강연'

양자역학은 흔히 원자와 분자 같은 미시 세계의 물리 법칙으로 알려져 있습니다. 하지만 최신의 연구는 이러한 미시적 현상이 어떻게 거대한 현실 세계에서 구현될 수 있는지를 보여줍니다. '손으로 만질 수 있는 양자역학'이라는 개념은 바로 여기서 출발합니다. 우리 눈에 보이는 거시적인 시스템이 양자역학적 성질을 유지할 때, 우리는 이를 거시 양자 현상이라 부릅니다. 이를 이해하기 위해서는 확률의 흐름을 나타내는 도구인 양자 시계의 위상과 진폭에 주목해야 합니다. 이것이 입자가 어디에 존재할 확률이 높은지를 결정하는 핵심적인 열쇠가 되기 때문입니다. 양자역학의 신비로움을 보여주는 대표적인 사례는 이중 슬릿 실험입니다. 입자인 전자가 두 개의 문을 동시에 통과하여 간섭 무늬를 만들어내는 현상은 고전 역학으로는 설명이 불가능합니다. 전자는 파동의 성질을 동시에 지니기에, 마치 스스로를 분신처럼 쪼개어 양쪽 문을 한꺼번에 통과하는 것처럼 행동합니다. 이때 각각의 분신이 가진 양자 시계의 위상이 합쳐지면서 상쇄되거나 보강되는데, 이것이 스크린에 특유의 줄무늬를 남기게 됩니다. 이러한 중첩 현상은 양자역학이 단순히 이론에 그치지 않고 실제 자연의 근본적인 작동 원리임을 증명하는 가장 강력한 증거 중 하나입니다. 양자역학이 없다면 물질의 기본 단위인 원자조차 존재할 수 없습니다. 고전 역학의 관점에서 전자는 원자핵 주변을 돌며 전자기파를 방출하고 에너지를 잃어 핵으로 추락해야 마땅합니다. 하지만 보어의 원자 모형은 전자가 띄엄띄엄 떨어진 특정 궤도에만 존재할 수 있다는 '양자화' 개념을 도입해 이 문제를 해결했습니다. 전자가 한 바퀴 돌아 제자리로 왔을 때 양자 시계의 위상이 정확히 원래 방향과 일치해야만 사라지지 않고 유지될 수 있기 때문입니다. 이처럼 최소 궤도가 보장됨으로써 원자는 안정성을 유지하며, 우리가 발을 딛고 있는 이 거대한 세상을 구성할 수 있게 됩니다. 초전도 현상은 거시 양자 현상의 정점을 보여줍니다. 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 이 현상은 전자의 독특한 집단행동에서 비롯됩니다. 영하 273도에 가까운 극저온 환경에서 전자들은 서로를 끌어당기는 힘을 통해 '쿠퍼 쌍'이라는 짝을 이루게 됩니다. 이때 중요한 것은 개별 전자가 제각각 움직이는 것이 아니라, 시스템 내의 모든 전자가 가진 양자 시계의 위상이 하나로 동기화된다는 점입니다. 수많은 전자가 마치 거대한 군대처럼 발맞추어 움직이기 때문에 어떤 불순물이나 장애물에도 방해받지 않고 저항 없이 전류가 흐를 수 있는 것입니다. 초전도체는 저항이 0일 뿐만 아니라 외부 자기장을 밀쳐내는 마이스너 효과라는 독특한 특성도 지니고 있습니다. 이는 자석이 초전도체 위에서 붕 뜨게 만드는 신기한 현상을 일으킵니다. 외부의 자기장은 초전도체 내부에 정렬된 전자의 양자 시계 위상을 뒤틀려고 시도하지만, 동기화된 전자들은 이를 거부하기 위해 자체적인 전류를 발생시켜 내부로 들어오는 자기장을 상쇄시킵니다. 결과적으로 초전도체는 거시적인 규모에서도 양자역학적 질서를 유지하며 자석을 공중에 띄우는 기적 같은 현상을 현실로 보여줍니다. 이러한 특성은 양자역학이 우리 눈앞에서 만질 수 있는 현상으로 나타남을 시사합니다. 이러한 거시 양자 현상을 응용한 것이 바로 조셉슨 접합입니다. 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연체를 끼워 넣으면, 고전적으로는 전류가 흐를 수 없지만 양자역학적인 '터널링'을 통해 전류가 흐르게 됩니다. 특히 이번 성과의 핵심인 거시 양자 터널링은 시스템 전체의 상태가 장벽을 뚫고 변화하는 현상을 의미합니다. 조셉슨 접합 회로는 그 자체가 하나의 거대한 인공 원자처럼 기능하며, 에너지 준위가 띄엄띄엄 양자화되는 특징을 보입니다. 기울어진 빨래판 위에서 입자가 굴러떨어지듯 에너지가 변화하는 과정에서 나타나는 이 현상은 양자 제어를 위한 핵심적인 물리적 토대가 됩니다. 조셉슨 접합을 통해 양자화된 에너지 준위를 조절하면 우리는 현대 과학의 결정체인 양자 컴퓨터를 구현할 수 있습니다. 고전 컴퓨터가 0과 1이라는 확정된 비트를 사용한다면, 양자 컴퓨터는 0과 1이 동시에 존재하는 중첩 상태인 '큐비트'를 정보의 단위로 삼습니다. 초전도 회로 내에서 전자의 진폭과 양자 시계의 위상을 정밀하게 제어함으로써 복잡한 연산을 동시에 처리할 수 있는 길이 열린 것입니다. 양자역학적 원리를 손으로 만질 수 있는 거시적 회로에 담아낸 이 기술은 미래의 계산 능력을 혁명적으로 변화시킬 것입니다. 보이지 않는 작은 세계의 법칙이 이제 인류의 기술적 한계를 뛰어넘는 거대한 힘으로 작용하고 있습니다.

카오스재단카오스강연

물리학

왜 초전도체는 공중에 뜰까?

1911년 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메를링 오너스는 금속 수은의 전기저항이 절대영도인 영하 273도 부근에서 완전히 사라지는 현상을 세계 최초로 관측했습니다. 이처럼 특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 현상을 '초전도'라고 정의하며, 이러한 특성을 가진 물질을 초전도체라고 부릅니다. 초전도체는 단순히 저항이 없는 것을 넘어 자기장을 밀어내는 독특한 성질을 가지고 있어, 자석 위에 올려놓으면 중력을 거스르고 공중부양하는 신기한 모습을 연출하기도 합니다. 초전도체의 신비로운 특성은 1933년 독일의 물리학자 발터 마이스너의 실험을 통해 더욱 구체적으로 밝혀졌습니다. 그는 초전도체 주변의 자기장 세기를 정밀하게 측정하던 중, 물질이 초전도 상태로 전이되면 내부의 자기장이 완전히 배제된다는 사실을 발견했습니다. 본래 금속 내부를 자유롭게 통과하던 자기장이 초전도 현상에 의해 밖으로 밀려나게 되는 것인데, 이를 '마이스너 효과'라고 부릅니다. 이는 초전도체가 외부 자기장에 대해 완벽한 반자성체로 반응하고 있음을 증명하는 핵심적인 현상입니다. 물리학자들은 이 놀라운 현상의 근본 원인을 찾기 위해 노력했고, 1957년 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 과학자가 제안한 'BCS 이론'을 통해 그 비밀이 풀렸습니다. 이 이론의 핵심은 금속 내부의 전자들이 개별적으로 움직이지 않고 두 개씩 짝을 지어 이동하는 '쿠퍼 쌍'을 형성한다는 점에 있습니다. 보통의 금속에서는 전자들이 원자들과 충돌하며 저항을 만들어내지만, 초전도체 내부의 쿠퍼 쌍은 마치 매끄러운 얼음판 위를 미끄러지는 스케이트처럼 아무런 방해 없이 흐르게 됩니다. 이 과정에서 전기저항은 자연스럽게 0으로 떨어지게 됩니다. 초전도 현상은 미시 세계의 원리를 넘어 우주의 근본적인 질량 기원을 설명하는 힉스 메커니즘과도 맞닿아 있습니다. BCS 이론에 따르면 쿠퍼 쌍은 질량이 없는 입자인 광자를 무겁게 만들어 금속 내부로 침투하지 못하게 차단하는 역할을 합니다. 입자 물리학자 피터 힉스는 바로 이 초전도 현상에서 영감을 얻어 우주의 기본 입자들이 어떻게 질량을 갖게 되는지를 설명하는 이론을 정립했습니다. 금속 내부에서 일어나는 작은 변화가 우주 전체를 관통하는 거대한 물리 법칙을 이해하는 중요한 단서가 되었다는 사실은 매우 경이롭습니다. 오늘날 초전도체는 의료용 MRI 장치부터 양자 컴퓨터의 핵심 소자인 큐비트에 이르기까지 첨단 과학 기술 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 특히 에너지 손실이 전혀 없는 송전망을 구축하거나 마찰 없이 달리는 자기부상열차를 실현하는 데 있어 초전도 기술은 필수적인 요소로 꼽힙니다. 비록 현재는 극저온 환경에서만 작동하는 한계가 있지만, 상온 초전도체 개발이 성공한다면 인류의 에너지 패러다임은 완전히 뒤바뀔 것입니다. 무궁무진한 가능성을 지닌 초전도체는 인류의 꿈을 현실로 만들어줄 진정한 미래의 물질입니다.

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물리학

[강연] 초전도체가 만든 세상, 펼치는 미래_by김기훈 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 4강

2023년 여름, 대한민국은 물론 전 세계 과학계를 뜨겁게 달군 주제는 단연 상온 초전도체 'LK-99'였습니다. 비록 검증 결과 상온 초전도체로 인정받지는 못했지만, 이 사건은 초전도 현상이 우리 사회에 얼마나 큰 파급력을 미칠 수 있는지 다시금 확인시켜 주었습니다. 초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 마법 같은 물질로, 에너지 혁명을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 학계에서는 여전히 상온 초전도체를 향한 도전을 멈추지 않고 있으며, 이는 인류의 미래를 바꿀 중요한 전환점이 될 것입니다. 초전도 현상의 역사는 1911년 네덜란드의 카메를링 오네스로부터 시작되었습니다. 그는 액체 헬륨을 제조하는 데 성공한 후, 수은의 저항을 측정하던 중 영하 269도에 해당하는 4.2 켈빈에서 저항이 갑자기 0이 되는 놀라운 현상을 발견했습니다. 이 발견으로 그는 노벨 물리학상을 수상하며 초전도 연구의 문을 열었습니다. 이후 과학자들은 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾기 위해 수십 년간 연구를 거듭해 왔으며, 이는 저온 초전도체에서 고온 초전도체로 이어지는 거대한 학문적 흐름을 형성하게 되었습니다. 초전도 현상을 이론적으로 규명한 것은 1957년 발표된 BCS 이론입니다. 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 학자는 양자역학을 바탕으로 전자들이 격자 진동을 통해 쌍을 이루는 '쿠퍼 쌍' 현상을 설명해 냈습니다. 원래 전자들은 서로 밀어내지만, 특정 조건에서 격자와 상호작용하며 쌍을 이루면 저항 없이 이동할 수 있게 됩니다. 20세기 가장 아름다운 이론 중 하나로 꼽히는 이 이론은 초전도 현상의 근본 원리를 밝혀냈으며, 이후 조셉슨 효과나 제2종 초전도체 연구 등 수많은 노벨상 수상의 토대가 되었습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 전기 저항이 0이라는 점입니다. 우리가 흔히 사용하는 구리선은 아무리 효율이 좋아도 열 손실이 발생하지만, 초전도 선재를 이용하면 에너지 손실 없이 무한히 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 실제로 우리나라는 세계 최초로 고온 초전도 케이블을 상용화하여 송전 효율을 극대화하는 기술력을 보유하고 있습니다. 만약 모든 송전망을 초전도체로 교체한다면 원자력 발전소 수십 기가 생산하는 에너지를 절약할 수 있으며, 이는 지구 온난화 문제를 해결할 수 있는 강력한 에너지 혁명이 될 것입니다. 저항 제로와 함께 초전도체의 또 다른 핵심 성질은 외부 자기장을 밀어내는 '마이스너 효과'입니다. 특히 제2종 초전도체에서는 자기력선이 물질을 관통하면서도 고정되는 '양자 잠금' 현상이 나타나는데, 이는 자석 위에 초전도체가 안정적으로 떠 있게 만듭니다. 이러한 원리는 시속 600km 이상의 속도를 내는 자기부상열차의 핵심 기술로 활용됩니다. 또한 병원에서 사용하는 MRI의 선명도를 획기적으로 높이거나, 미래의 도심 항공 모빌리티인 에어 택시를 구현하는 데에도 초전도 자석의 강력한 자기장이 필수적인 역할을 합니다. 최근 초전도 연구는 수소 화합물을 이용해 상온에 더 가까운 온도를 구현하는 방향으로 나아가고 있습니다. 엄청난 고압 환경이 필요하다는 제약이 있지만, 란타넘 수소화물 등에서 영하권의 높은 임계 온도가 관측되면서 상온 초전도체 발견에 대한 기대감이 높아지고 있습니다. 비록 일부 연구 결과가 재현성 문제로 철회되기도 했지만, 과학자들은 계산 과학과 정밀한 합성 기술을 동원해 한 걸음씩 상온을 향해 나아가고 있습니다. 이러한 도전은 단순히 물질의 발견을 넘어 인류의 기술적 한계를 극복하려는 숭고한 노력의 과정입니다. 초전도 기술은 이미 가속기, 핵융합로, 의료 기기 등 다양한 분야에서 우리 삶을 지탱하고 있습니다. 앞으로 상온 초전도체가 실제로 발견된다면 양자 컴퓨터의 대중화와 에너지 혁명을 통해 인류 문명은 새로운 차원으로 도약할 것입니다. 이를 위해서는 뛰어난 인재들의 열정과 지속적인 교육, 그리고 학문적 교류가 무엇보다 중요합니다. 100년이라는 짧은 과학사 속에서 이제 막 시작된 양자 문명의 시대에, 초전도체는 우리가 꿈꾸는 미래를 현실로 만들어 줄 가장 강력한 열쇠가 될 것이라 확신합니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[강연] 양자역학의 결정판, 초전도 현상_by김창영 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 10강 | 10강

양자역학의 관점에서 우주의 모든 존재는 파동으로 기술됩니다. 초전도 현상은 이러한 양자역학적 원리가 거시적인 규모에서 드러나는 독특한 상태로, 수많은 전자가 하나의 거대한 파동처럼 행동하는 '위상 결맞음' 상태를 의미합니다. 일반적인 도체에서는 전자들이 무질서하게 움직이며 저항을 만들어내지만, 초전도체 내부에서는 전자들이 일관된 질서를 유지하며 흐릅니다. 이는 단순히 전기적 성질의 변화를 넘어, 우리 주변의 물질이 도달할 수 있는 가장 신비로운 양자 상태 중 하나로 평가받으며 현대 물리학의 정수로 불립니다. 초전도 연구의 역사는 저온 물리학의 발전과 궤를 같이합니다. 19세기 냉동 기술의 혁신은 인류가 절대영도에 가까운 극저온에 도달할 수 있게 했으며, 1911년 카메를링 오너스는 액체 헬륨을 이용해 수은의 전기 저항이 특정 온도에서 갑자기 사라지는 현상을 최초로 목격했습니다. 당시 과학계는 온도가 낮아지면 전자의 움직임이 둔해져 저항이 무한대로 커질 것이라 예상했으나, 실제 결과는 정반대였습니다. 이 발견은 고전 물리학의 한계를 드러내며 현대 물리학의 새로운 지평을 열었고, 이후 수많은 물질에서 초전도 현상이 추가로 발견되었습니다. 초전도체의 핵심적인 특징 중 하나는 외부 자기장을 밀어내는 '마이스너 효과'입니다. 이는 초전도체가 단순히 저항이 영인 상태를 넘어, 내부 자기장을 완전히 배제하는 완전 반자성체임을 보여줍니다. 특히 제2종 초전도체는 강한 자기장 속에서도 일부 자기력선을 통과시키며 초전도성을 유지하는데, 이때 발생하는 '양자 소용돌이'는 불순물에 고정되어 초전도체를 자석 위에 떠 있게 만드는 '플럭스 피닝' 현상을 일으킵니다. 이러한 성질은 강력한 자기 부상 힘을 발생시켜 스모 선수와 같은 무거운 하중도 견딜 수 있는 공학적 응용의 기초가 됩니다. 초전도 현상의 원리를 규명한 BCS 이론은 전자들이 '쿠퍼 쌍'을 형성한다는 점에 주목합니다. 본래 전자는 서로 밀어내는 성질을 가진 페르미온이지만, 격자의 진동인 포논을 매개로 두 전자가 짝을 이루면 정수 스핀을 가진 보손처럼 행동하게 됩니다. 이렇게 형성된 쿠퍼 쌍들은 온도가 낮아짐에 따라 가장 낮은 에너지 상태로 응축되는 '보즈-아인슈타인 응축' 과정을 거칩니다. 결과적으로 수많은 전자가 하나의 양자 상태를 공유하게 되며, 장애물에 부딪혀도 에너지를 잃지 않고 흐르는 무저항 상태가 실현되는 것입니다. 거시적 양자 상태의 증거는 조셉슨 효과를 통해 더욱 명확해집니다. 두 초전도체 사이에 얇은 절연막을 두었을 때, 전압을 가하지 않아도 양자역학적 터널링을 통해 전류가 흐르는 이 현상은 초전도체의 위상이 물리적으로 실재함을 증명합니다. 이를 응용한 '초전도 양자 간섭 장치(SQUID)'는 뇌의 미세한 자기장까지 측정할 수 있을 정도로 민감하며, 조셉슨 소자는 현대 양자 컴퓨터의 핵심 부품인 큐비트를 구현하는 데 필수적인 역할을 합니다. 이는 양자역학이 실험실 안의 이론을 넘어 실질적인 기술로 진화했음을 보여주는 대표적인 사례입니다. 1980년대 이후 등장한 고온 초전도체는 냉각 비용의 한계를 극복하며 실용화의 길을 넓혔습니다. 액체 헬륨 대신 훨씬 저렴한 액체 질소 온도에서도 작동하는 구리 산화물 계열의 발견은 과학계에 큰 충격을 주었습니다. 최근에는 수소 화합물을 이용해 높은 압력 하에서 상온에 가까운 초전도성을 구현하려는 시도가 이어지고 있으며, 이는 에너지 손실 없는 전력망 구축이라는 인류의 오랜 꿈에 다가가는 과정입니다. 비록 상온 상압 초전도체로 가는 길은 여전히 험난하지만, 약 10년 주기로 반복되는 새로운 발견들은 여전히 인류에게 무한한 가능성을 제시합니다. 초전도 기술은 이미 우리 삶의 곳곳에서 혁신을 일으키고 있습니다. 병원의 MRI 장비부터 핵융합 발전 장치인 KSTAR, 입자 가속기에 이르기까지 강력한 자기장이 필요한 곳에는 어김없이 초전도 자석이 사용됩니다. 또한 저항 없는 초전도 케이블은 대용량 전력을 손실 없이 수송하며 에너지 효율을 극대화하고, 시속 600km가 넘는 자기부상열차의 꿈을 현실로 만들고 있습니다. 미래의 초전도체는 양자 컴퓨팅과 고효율 모터 기술을 통해 산업 전반의 패러다임을 바꾸고, 지속 가능한 에너지 사회를 구현하는 핵심 동력이 될 것입니다.

김창영

카오스재단카오스강연

물리학

[용어사전] 아바타 속 '언옵테늄'! 꿈의 물질 상온 초전도체에 대해_초전도체(superconductor)

1911년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스는 액체 헬륨을 이용해 수은의 온도를 낮추던 중 놀라운 현상을 목격했습니다. 온도가 극도로 낮아지자 수은의 전기저항이 사실상 0이 된 것입니다. 본래 전기는 도체 내부를 흐르는 전자의 흐름이며, 이 과정에서 다른 물질의 방해를 받아 손실이 발생하는 전기저항이 존재하기 마련입니다. 하지만 오네스는 특정 온도 이하에서 전기저항이 완전히 사라지는 초전도 현상을 처음으로 발견해냈습니다. 이러한 특성을 가진 물질을 초전도체라고 부르며, 이는 전력 손실 없는 에너지 전달의 가능성을 열어준 역사적인 순간이었습니다. 초전도체는 강력한 자기장을 형성할 수 있어 병원의 MRI나 핵융합로, 입자 가속기 등 첨단 과학 분야에서 핵심적인 역할을 수행합니다. 그러나 초기 발견 당시 초전도 현상은 섭씨 영하 268.9도라는 극저온에서만 발생하여 실용화에 한계가 있었습니다. 1957년 발표된 BCS 이론은 초전도 현상이 30 켈빈 이상의 온도에서는 일어날 수 없다고 예측하기도 했습니다. 하지만 1986년 35 켈빈에서 작동하는 물질이 발견되면서 기존 이론의 한계를 넘어섰고, 이후 과학자들은 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾기 위해 끊임없는 연구를 이어오고 있습니다. 만약 일상적인 온도에서 작동하는 상온 초전도체가 상용화된다면 인류의 삶은 혁명적으로 변화할 것입니다. 장거리 송전 시 발생하는 전력 손실이 완전히 사라지고, 에너지를 무한정 저장할 수 있는 장치가 마련되어 에너지 효율이 극대화됩니다. 또한 값비싼 냉각 장치가 필요 없어져 자기부상열차나 MRI 같은 고가의 기술들을 훨씬 저렴하고 편리하게 이용할 수 있게 됩니다. 초전도체 연구는 이미 수많은 노벨상 수상자를 배출했을 만큼 과학계의 핵심 과제입니다. 여전히 풀리지 않은 원리와 무궁무진한 가능성을 품은 초전도체는 그야말로 세상을 바꿀 꿈의 물질이라 할 수 있습니다.

카오스재단술술과학

물리학

BCS이론

[강연] 손으로 만질 수 있는 양자역학: 거시 양자 현상과 양자컴퓨터_by 박권 | 고등과학원&카오스재단 '2025 노벨상 해설강연'

카오스재단카오스강연

왜 초전도체는 공중에 뜰까?

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[강연] 초전도체가 만든 세상, 펼치는 미래_by김기훈 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 4강

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[강연] 양자역학의 결정판, 초전도 현상_by김창영 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 10강 | 10강

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