Chân dung ba nhà khoa học xuất sắc giành giải Nobel Vật lý 2022

Theo đó, vào lúc 16h45 chiều 4/10 (giờ Việt Nam), Viện hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố chủ nhân của giải Nobel Vật lý năm 2022. Đó là các nhà khoa học: Alain Aspect, John Clauser và Anton Zeilinger, nhờ "các thí nghiệm với các photon vướng víu, thiết lập sự vi phạm các bất đẳng thức Bell và tiên phong trong khoa học thông tin lượng tử".

Nhà khoa học người Pháp Alain Aspect, John F. Clauser người Mỹ và Anton Zeilinger người Áo đã được Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển vinh danh nhờ các thí nghiệm chứng minh thuyết “hoàn toàn điên rồ” của các vướng mắc lượng tử là quá thật. Họ đã chứng minh rằng các hạt không nhìn thấy, chẳng hạn như photon, có thể liên kết, hoặc "vướng víu", với nhau ngay cả khi chúng cách nhau một khoảng cách lớn.

Những thí nghiệm được đánh giá là mang tính đột phá với các trạng thái lượng tử vướng víu - khi hai hạt hoạt động như một khối thống nhất kể cả khi chúng bị chia tách. Các kết quả của họ đã mở đường cho công nghệ mới dựa trên thông tin lượng tử. Những tác động kỳ diệu của cơ học lượng tử đang bắt đầu có những ứng dụng phong phú. Hiện nay, có một lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn bao gồm máy tính lượng tử, mạng lượng tử và liên lạc mã hóa lượng tử an toàn.

Một yếu tố quan trọng trong sự phát triển này là cách cơ học lượng tử cho phép hai hoặc nhiều hạt tồn tại ở trạng thái được gọi là trạng thái vướng víu. Điều gì xảy ra với một trong các hạt trong một cặp vướng víu xác định điều gì xảy ra với hạt kia, ngay cả khi chúng ở xa nhau.

Trong một thời gian dài, câu hỏi đặt ra là liệu mối tương quan có phải là do các hạt trong một cặp vướng víu chứa các biến ẩn.

Vào những năm 1960, John Stewart Bell đã phát triển bất đẳng thức toán học mang tên ông. Điều này nói rằng nếu có các biến ẩn, mối tương quan giữa các kết quả của một số lượng lớn các phép đo sẽ không bao giờ vượt quá một giá trị nhất định. Tuy nhiên, cơ học lượng tử dự đoán rằng một loại thí nghiệm nhất định sẽ vi phạm bất đẳng thức Bell, do đó dẫn đến một mối tương quan mạnh hơn so với khả năng có thể xảy ra.

John F. Clauser, sinh năm 1942 tại Pasadena, Mỹ. Ông lấy bằng tiến sĩ 1969 tại Đại học Columbia, New York, Mỹ.

Cũng vào năm 1969, Clauser là người đầu tiên hình thành một thử nghiệm John Bell thực tế, bao gồm việc đo lường sự vướng víu lượng tử bằng cách xác định sự phân cực của các cặp photon vướng víu được phóng ra theo các hướng ngược nhau. Sau đó, ông thực hiện thí nghiệm vào năm 1972 cùng với Stuart Freedman (đã quá cố), khi đó đang là sinh viên tốt nghiệp, xác nhận rằng các photon hoạt động đồng thời bất chấp sự tách biệt vật lý của chúng. Công trình của Clauser chỉ ra rằng các biến ẩn không thể giải thích các hiệu ứng của hiện tượng vướng víu, cho thấy rằng lý thuyết lượng tử vẫn còn nguyên vẹn như một mô tả hoàn chỉnh về cơ bản của thực tại.

Alain Aspect sinh năm 1947 tại Agen, Pháp. Ông có bằng Tiến sĩ 1983 tại Đại học Paris-Sud, Orsay, Pháp, cũng là Giáo sư tại Đại học Paris-Saclay và Ecole Polytechnique, Palaiseau, Pháp. Ông đã làm nổi bật mình vào năm 1982 bằng cách tiết lộ rõ ràng tính chất lượng tử cơ bản của rối loạn lượng tử. Bằng cách nghiên cứu chính xác một nguồn sáng được kiểm soát, ông đã xác lập được hiện tượng rối lượng tử một cách không thể chối cãi và đưa ra câu trả lời thực nghiệm cho nghịch lý EPR do Albert Einstein, Boris Podolsky và Nathan Rosen đề xuất năm mươi năm trước. Ông cũng chứng minh sự vi phạm các bất bình đẳng Bell được thiết lập một vài năm trước đó.

Năm 1984, với tư cách là giảng viên cao cấp tại École polytechnique và phó giám đốc phòng thí nghiệm tại Collège de France, ông đã nghiên cứu phương pháp làm lạnh bằng laser của các nguyên tử được gọi là “dưới độ giật một photon”. Ông đặc biệt hợp tác với Claude Cohen-Tannoudji, người đoạt giải Nobel Vật lý năm 1997, chứng minh bằng thực nghiệm tính lưỡng tính hạt sóng đối với các photon đơn lẻ. Kể từ đó, với nhóm quang học nguyên tử mà ông thành lập năm 1992 tại Trường Cao học Institut d'Optique, ông đã có những đóng góp lớn vào nền tảng của sự ngưng tụ Bose-Einstein và quang học nguyên tử, trong đó các nguyên tử bộc lộ bản chất sóng của chúng, và sau đó có thể tập trung, nhiễu xạ và có thể gây nhiễu.

Và khoảng 10 năm sau sau khi John Clauser đã phát triển các ý tưởng của John Bell, Alain Aspect thấy có nhiều sơ hở, ông đã tinh chỉnh thí nghiệm của Clauser, và các cộng sự của ông đã đóng một trong số chúng bằng cách phát triển một cách chuyển hướng của các cặp photon vướng víu trong một phần tỷ giây — sau khi các photon đã rời khỏi nguồn của chúng nhưng trước khi chúng đến một máy dò. Điều này đảm bảo rằng các cài đặt đo lường tồn tại khi các photon được phát ra không thể ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng, củng cố đáng kể quan điểm rằng các biến ẩn không tồn tại. Bất cứ điều gì về cơ bản xảy ra trong quá trình đo các hạt vướng víu (vẫn là chủ đề tranh luận gay gắt giữa các nhà khoa học), công trình của Aspect đã cho thấy nó hoạt động như vậy trong giới hạn của lý thuyết lượng tử hiện có. Lỗ hổng lớn cuối cùng cho các bài kiểm tra Bell đã được đóng lại vào năm 2015 thông qua công việc của bốn nhóm nghiên cứu khác nhau.

Cái tên cuối cùng là Anton Zeilinger, sinh năm 1945 tại Ried im Innkreis, Áo. Đạt chức vị Tiến sĩ năm 1971 tại Đại học Vienna, Áo, với công trình nghiên cứu "Khử cực neutron trong các tinh thể đơn Dysprosium" dưới sự giám sát của Helmut Rauch.

Từ năm 1974 đến năm 1989, ông làm việc nửa thời gian với tư cách là nhà khoa học khách mời tại Karaoke, thực hiện nhiều thí nghiệm khác nhau để kiểm tra các dự đoán cơ bản của cơ học lượng tử. Tại đây, Rauch và Zeilinger đã thành công trong việc quan sát trực tiếp sự chồng chất spin fermion, được đo tại trạm giao thoa kế neutron S18. Trong cùng thời gian, họ đã chứng minh sự thay đổi dấu hiệu của hàm sóng của các fermion khi quay 360 độ. Những thí nghiệm nổi bật này đánh dấu sự khởi đầu của một chuỗi dài các thí nghiệm lượng tử trên thiết bị S18 cho đến nay.

Zeilinger và các đồng nghiệp của ông đã mở rộng đáng kể việc sử dụng và nghiên cứu các trạng thái lượng tử vướng víu của bộ đôi trên. Năm 1997, Zeilinger và cộng sự là một trong hai nhóm nghiên cứu để chứng minh một cách độc lập một hiện tượng gọi là dịch chuyển lượng tử, sử dụng sự vướng víu để cho phép các trạng thái lượng tử di chuyển từ hạt này sang hạt khác qua những khoảng cách tùy ý. (Nhóm còn lại do nhà vật lý người Ý Francesco De Martini đứng đầu).

Nhóm của Zeilinger đã tiếp tục đạt được một số “lần đầu tiên” trong khoa học thông tin lượng tử. Ngày nay dịch chuyển lượng tử đã trở thành trọng tâm cho những nỗ lực sơ khai nhằm xây dựng một “ Internet lượng tử ” rộng khắp toàn cầu. Và Zeilinger đã hợp tác trong công việc sử dụng thành công kỹ thuật này để tạo ra Micius, vệ tinh liên lạc lượng tử đầu tiên của Trung Quốc.

Giải thưởng trị giá 10 triệu krona Thụy Điển (khoảng 917.200 USD) sẽ chia đều cho ba nhà khoa học. “Tôi vẫn hơi sốc nhưng đó là một cú sốc rất tích cực. Tôi thực sự rất ngạc nhiên”, Zeilinger, một giáo sư tại Đại học Vienna, Áo, nói với các nhà báo ở Stockholm ngay sau khi nghe tin mình đoạt giải.

Công trình của những người chiến thắng đã xác nhận rằng “cơ học lượng tử thực sự có tiện ích trong các ứng dụng trong thế giới thực”, Michael Moloney, Giám đốc điều hành của Viện Vật lý Hoa Kỳ, nói với CNN.

“Không chỉ lý thuyết này để giải thích tất cả bản chất phản trực giác của thế giới lượng tử. Nó cho thấy rằng bằng cách đo lường một số dự đoán, chúng tôi có thể tham gia vào các ứng dụng như điện toán lượng tử và mật mã lượng tử”.

Moloney cho biết khám phá của bộ ba này “có khả năng thay đổi thế giới của chúng ta về những thứ thực sự thiết thực, như có thể thực hiện tính toán lượng tử; các giải pháp sẽ giúp chúng ta về mọi thứ, từ vắc-xin, công nghệ, dự báo thời tiết”.

Ông nói thêm: “Có rất nhiều kiểu tính toán khác nhau mà chúng ta có thể thực hiện thông qua khoa học thông tin lượng tử mà chúng ta không thể làm được với máy tính cổ điển.