Giải Nobel Vật lý năm 2025 đã được công bố: Vinh danh ba nhà khoa học tiên phong trong nghiên cứu hiệu ứng lượng tử vĩ mô

Vào ngày 7/10, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển chính thức công bố Giải Nobel Vật lý năm 2025, vinh danh ba nhà khoa học John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis.

Ba nhà khoa học này được trao giải nhờ những đóng góp tiên phong trong việc khám phá hiệu ứng đường hầm lượng tử vĩ mô và sự lượng tử hóa năng lượng trong mạch siêu dẫn, những nghiên cứu đã mở đường cho ngành điện toán lượng tử hiện đại.

Theo thông báo từ Ủy ban Nobel, công trình của ba nhà khoa học này được coi là "bước ngoặt trong việc mở rộng thế giới lượng tử ra khỏi phạm vi nguyên tử, chứng minh rằng các hiện tượng lượng tử có thể tồn tại và kiểm soát được ở quy mô vĩ mô".

Bốn mươi năm trước, những thí nghiệm mà họ thực hiện đã thay đổi hoàn toàn cách con người hiểu về ranh giới giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển, hai lĩnh vực tưởng chừng như không thể hòa hợp.

Từ đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã nhận thấy rằng các hạt vi mô như electron hay photon tuân theo các quy luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, trong khi các vật thể lớn hơn (từ quả bóng chày đến hành tinh) lại hành xử theo cơ học cổ điển. Và câu hỏi đặt ra là: liệu có thể quan sát được các hiện tượng lượng tử ở quy mô vĩ mô hay không? Đó chính là điểm khởi đầu cho cuộc hành trình kéo dài hàng thập kỷ của Clarke, Devoret và Martinis.

Vào giữa những năm 1980, tại phòng thí nghiệm Đại học California, Berkeley, bộ ba các nhà khoa học bắt đầu thí nghiệm với các mạch siêu dẫn dựa trên giao thoa Josephson - một thiết bị bao gồm hai lớp siêu dẫn ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng, cho phép dòng điện siêu dẫn chảy qua nhờ hiệu ứng lượng tử.

Mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và pha lượng tử của thiết bị này khiến nó có thể được mô phỏng như một "hạt" di chuyển trong một "thế năng tấm ván giặt" lồi lõm. Trong điều kiện bình thường, "hạt" này bị kẹt trong một hố năng lượng và không thể thoát ra. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cực thấp, nhóm nghiên cứu phát hiện điều kỳ lạ: "hạt" có thể xuyên qua rào cản năng lượng, một hiện tượng gọi là "đường hầm lượng tử vĩ mô" (Macroscopic Quantum Tunneling, MQT).

Hiện tượng này là minh chứng đầu tiên cho thấy một hệ thống nhân tạo với hàng tỷ hạt có thể hành xử như một hạt lượng tử duy nhất. Để ghi nhận tín hiệu này, nhóm nghiên cứu phải làm việc trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt: nhiệt độ chỉ vài milikelvin (gần bằng độ không tuyệt đối) và loại bỏ mọi nhiễu điện từ từ môi trường.

Không chỉ dừng lại ở đó, Clarke, Devoret và Martinis tiếp tục thực hiện một bước đột phá thứ hai: họ chiếu sóng vi ba vào hệ thống và nhận thấy rằng mạch chỉ phản ứng ở các tần số rời rạc, không liên tục. Điều này có nghĩa là năng lượng của hệ thống không thay đổi tùy ý mà "nhảy cóc" giữa các mức năng lượng cố định, một đặc điểm đặc trưng của cơ học lượng tử.

Đây là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy mức năng lượng trong một mạch nhân tạo có thể được lượng tử hóa, tương tự như các quỹ đạo năng lượng trong nguyên tử.

Những kết quả này không chỉ chứng minh rằng các hiện tượng lượng tử có thể tồn tại ở quy mô vĩ mô, mà còn mở ra cánh cửa cho công nghệ lượng tử ứng dụng. Trong một hệ hai mức năng lượng rời rạc có thể điều khiển, ta có thể định nghĩa các trạng thái lượng tử |0⟩ và |1⟩, chính là các đơn vị cơ bản của điện toán lượng tử, hay còn gọi là "qubit".

Nhờ những nền tảng mà Clarke, Devoret và Martinis đặt ra, các nhà khoa học sau này đã có thể tạo ra "nguyên tử nhân tạo" trên chip và kiểm soát quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái này bằng các xung vi ba.

Những nghiên cứu tiếp theo đã dẫn đến sự hình thành các kiến trúc qubit siêu dẫn, công nghệ quan trọng hiện nay đang được sử dụng bởi Google, IBM và nhiều phòng thí nghiệm hàng đầu trên thế giới.

Michel H. Devoret sau này cùng với Robert Schoelkopf và Steven Girvin phát triển khái niệm “điện động lực học lượng tử mạch” (Circuit Quantum Electrodynamics - cQED), cho phép điều khiển chính xác các qubit siêu dẫn và kéo dài thời gian duy trì trạng thái lượng tử. Ông cũng đồng sáng chế ra "qubit transmon", loại qubit ổn định và ít nhạy cảm với nhiễu nhất hiện nay.

Trong khi đó, John M. Martinis mang tầm nhìn này ra thế giới công nghiệp. Năm 2014, ông cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara gia nhập Google, bắt đầu giai đoạn thương mại hóa điện toán lượng tử.

Năm 2019, nhóm của ông công bố rằng bộ xử lý Sycamore với 53 qubit của Google đã hoàn thành một tác vụ nhanh hơn hàng triệu lần so với siêu máy tính mạnh nhất lúc bấy giờ - một cột mốc được gọi là "ưu thế lượng tử". Mặc dù vẫn còn gây tranh cãi, đây được coi là bước tiến lịch sử, chứng minh rằng điện toán lượng tử đã thoát khỏi phòng thí nghiệm và bước vào thực tế.

John Clarke, người thầy và cũng là người tiên phong, tiếp tục cống hiến cho lĩnh vực đo lường siêu dẫn và các cảm biến lượng tử với độ nhạy cực kỳ cao. Những đóng góp của ông trong suốt sự nghiệp được xem là "bộ xương sống" của ngành đo lường lượng tử hiện đại.

Giải Nobel năm nay không chỉ ghi nhận một công trình khoa học cụ thể mà còn là lời tri ân đối với tinh thần khám phá kiên cường của các nhà nghiên cứu, những người đã dành hàng năm trời trong phòng thí nghiệm lạnh giá để theo đuổi một câu hỏi tưởng chừng như triết học: ranh giới của thế giới lượng tử ở đâu?

Câu trả lời mà Clarke, Devoret và Martinis tìm ra cách đây bốn mươi năm đã làm thay đổi nhận thức của chúng ta về tự nhiên, đồng thời mở ra một cuộc cách mạng công nghệ lớn lao trong thế kỷ 21: điện toán lượng tử.

Ngày nay, khi các bộ xử lý lượng tử đang dần trở nên phổ biến, giải Nobel Vật lý 2025 như một lời nhắc nhở rằng mọi bước tiến vĩ đại của nhân loại đều bắt đầu từ sự tò mò và những thí nghiệm đơn giản nhưng đầy táo bạo của những bộ óc không ngừng đặt câu hỏi về giới hạn của tri thức con người.