Nobel Vật lý 2025: Cơ học lượng tử từ vi mô đến vĩ mô

Đúng 100 năm sau khám phá cơ học lượng tử, Giải Nobel Vật lý 2025 vinh danh ba nhà khoa học Mỹ đã chứng minh hiệu ứng lượng tử kỳ lạ có thể xảy ra ở quy mô lớn, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ lượng tử.

Năm 1925, các nhà vật lý Heisenberg, Schrödinger và Dirac khám phá ra cơ học lượng tử - một khám phá kỳ lạ có ảnh hưởng thay đổi thế giới.

Đúng 100 năm sau, Giải Nobel Vật lý 2025 được trao cho ba nhà vật lý Mỹ đã đưa hiệu ứng xuyên hầm lượng tử - một hiệu ứng lượng tử vi mô kỳ lạ - vào thế giới vĩ mô, mở ra nhiều ứng dụng đột phá.

Khám phá đột phá về hiệu ứng xuyên hầm

Ba nhà vật lý Mỹ gồm: John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis được trao Giải Nobel Vật lý năm 2025 vì đã "khám phá hiệu ứng xuyên hầm lượng tử cấp vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện", theo thông báo của Ủy ban Nobel.

Giải thưởng năm nay vinh danh một loạt thí nghiệm họ tiến hành vào năm 1984 và 1985 trên các mạch điện chất siêu dẫn, chứng minh quá trình "xuyên hầm" - hiện tượng các hạt đi xuyên qua rào cản chỉ có thể xảy ra trong cơ học lượng tử - có thể diễn ra ở kích thước quy mô lớn hơn nhiều so với những gì người ta từng tin trước đây.

Giáo sư John Clarke, tốt nghiệp tiến sĩ tại Đại học Cambridge năm 1968, là giáo sư vật lý tại Đại học California, Berkeley từ năm 1969. Hiện ông là giáo sư danh dự tại khoa sau đại học của trường đại học này.

Ông Michel H. Devoret, sinh ra tại Paris và nhận bằng tiến sĩ tại đó, là giáo sư danh dự ngành vật lý ứng dụng tại Viện Lượng tử Yale thuộc Đại học Yale.

Ông John M. Martinis có bằng tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley. Sau khi giảng dạy tại trường đại học này, gần đây nhất ông làm việc với nhóm quantum AI của Google.

Vào giữa những năm 1980, ông Devoret gia nhập nhóm nghiên cứu của ông Clarke với tư cách là nghiên cứu sau tiến sĩ, cùng nghiên cứu sinh tiến sĩ Martinis. Họ cùng nhau thực hiện thử thách chứng minh hiệu ứng xuyên hầm lượng tử ở cấp vĩ mô.

Trong các thí nghiệm, ba nhà khoa học chế tạo mạch điện từ chất siêu dẫn có thể dẫn dòng điện mà không có điện trở. Bằng cách tinh chỉnh và đo lường các tính chất của mạch, họ có thể kiểm soát các hiện tượng phát sinh. Các hạt tích điện chuyển động qua chất siêu dẫn tạo thành một hệ hoạt động như thể chúng là một hạt duy nhất lấp đầy toàn bộ mạch điện.

Hệ các hạt này ban đầu ở trạng thái mà dòng điện chạy qua không cần có điện áp, như thể bị chắn bởi một rào cản không thể vượt qua.

Trong thí nghiệm, hệ thống đã thể hiện tính chất lượng tử bằng cách thoát khỏi trạng thái này thông qua hiệu ứng đường hầm lượng tử. Ba nhà khoa học cũng chứng minh được rằng hệ thống được lượng tử hóa, nghĩa là chỉ hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng cụ thể.

Mở đường cho công nghệ lượng tử

Thí nghiệm này có những hệ quả quan trọng đối với sự hiểu biết về cơ học lượng tử. Trước đó, các hiệu ứng cơ học lượng tử ở cấp độ vĩ mô bao gồm nhiều phần tử vi mô được kết hợp để gây ra các hiện tượng như laser, chất siêu dẫn và chất lỏng siêu lỏng. Tuy nhiên, các thí nghiệm của ba nhà vật lý nhận Giải Nobel năm nay lại tạo ra một hiệu ứng vĩ mô trực tiếp.

Loại trạng thái lượng tử vĩ mô này mở ra tiềm năng mới cho các thí nghiệm sử dụng hiện tượng chi phối thế giới vi mô. Nó có thể được coi là một dạng nguyên tử nhân tạo ở quy mô lớn, được sử dụng để mô phỏng và hỗ trợ nghiên cứu các hệ lượng tử khác.

Một ứng dụng quan trọng là máy tính lượng tử do Martinis thực hiện sau đó. Ông đã sử dụng chính xác lượng tử hóa năng lượng mà ông và hai người đồng đoạt Giải Nobel đã chứng minh, sử dụng mạch với các trạng thái lượng tử hóa làm bit lượng tử hay qubit với trạng thái năng lượng thấp nhất là 0 và mức cao hơn là 1.

Mạch siêu dẫn là một trong những kỹ thuật đang được khám phá trong nỗ lực xây dựng máy tính lượng tử. Martinis là người đứng đầu nhóm nghiên cứu máy tính lượng tử của Google từ 2014 - 2020.

Ông Clarke cho biết nghiên cứu của họ đã góp phần mở đường cho những tiến bộ công nghệ, chẳng hạn như sự ra đời của điện thoại di động. Ủy ban Nobel cũng khẳng định: "Không có công nghệ tiên tiến nào hiện nay mà không dựa trên cơ học lượng tử, bao gồm: điện thoại di động, máy ảnh... và cáp quang".