Nobel Vật lý 2025, khi công nghệ lượng tử bước khỏi phòng thí nghiệm

Chiều 7/10 (theo giờ Hà Nội), Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố Giải Nobel Vật lý 2025 thuộc về các nhà khoa học gồm: John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis. Họ được vinh danh nhờ phát hiện hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử ở quy mô vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện.

Theo thông cáo của Ủy ban Nobel, bộ ba đã thực hiện thành công các thí nghiệm quan sát hiện tượng lượng tử đặc trưng, vốn chỉ thấy ở nguyên tử hoặc hạt đơn lẻ trong các hệ thống siêu dẫn đủ lớn để có thể đo đạc trực tiếp bằng thiết bị hiện đại.

Công trình được đánh giá là “bước ngoặt đưa cơ học lượng tử từ lý thuyết sang ứng dụng”, đặt nền móng cho máy tính lượng tử, truyền thông lượng tử và cảm biến lượng tử siêu nhạy.

Chủ nhân giải thưởng Nobel Vật lý 2025 John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis. Ảnh: Nobel Prize.

KHÁM PHÁ TRỌNG YẾU, LƯỢNG TỬ “CỠ LỚN” KHÔNG CÒN LÀ GIẤC MƠ

Các thí nghiệm đoạt giải tập trung vào hai hiện tượng nổi bật của cơ học lượng tử: hiệu ứng đường hầm (quantum tunneling) và lượng tử hóa năng lượng (quantised energy levels) nhưng tiến một bước xa hơn: chúng được chứng minh trong hệ thống đủ lớn để “cầm trên tay”.

Trước đây, các hiệu ứng này được xem là chỉ tồn tại ở cấp độ nguyên tử hoặc hạt vi mô. Nhưng Clarke, Devoret và Martinis đã thiết kế mạch điện siêu dẫn dùng tiếp giáp Josephson linh kiện dị thường ở ranh giới giữa dẫn điện và cách điện để quan sát dòng điện “mắc kẹt” và sau đó “thoát” qua rào cản nhờ hiệu ứng hầm lượng tử.

Họ cũng quan sát rằng hệ mạch này hấp thụ hoặc phát năng lượng theo “bậc” rời rạc, tức là lượng tử hóa một đặc tính thường thấy ở các hệ lượng tử vi mô nhưng giờ hiện rõ ở quy mô lớn.

Theo Hội đồng Nobel, những phát hiện này “mở ra cơ hội phát triển thế hệ công nghệ lượng tử tiếp theo”, từ mật mã lượng tử, máy tính lượng tử đến cảm biến lượng tử.

TỪ PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐẾN GIẢI NOBEL

Công trình này là kết quả của gần 40 năm nghiên cứu kiên trì. Từ giữa thập niên 1980, John Clarke (Đại học California, Berkeley) và Michel Devoret (khi đó đang làm việc tại Pháp) bắt đầu thiết kế những mạch siêu dẫn đặc biệt để kiểm chứng các dự đoán lý thuyết về dòng điện lượng tử.

Thí nghiệm đòi hỏi điều kiện khắt khe: nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, môi trường cách ly khỏi nhiễu điện từ, và thiết bị đo có độ chính xác cực cao.

Các tín hiệu thu được ban đầu yếu đến mức có thể bị nhầm với nhiễu nền. Nhưng nhóm nghiên cứu đã lặp lại hàng nghìn phép đo, tinh chỉnh thiết bị cho đến khi chứng minh được rằng hiện tượng quan sát là thực sự lượng tử.

Những kết quả này đặt nền móng cho nghiên cứu qubit siêu dẫn, hướng đi mà John Martinis sau này phát triển tại Đại học California, Santa Barbara, trở thành một trong những công nghệ chủ đạo của máy tính lượng tử hiện nay.

Giáo sư John Clarke (Đại học California, Berkeley) chia sẻ qua điện thoại trong lễ công bố giải, rằng rất bất ngờ, không nghĩ công trình lại đoạt giải Nobel.

“Tôi thực sự ngạc nhiên và xúc động. Chưa bao giờ tôi nghĩ rằng những công trình mình theo đuổi lại có thể được vinh danh bằng một giải Nobel. Nhưng rõ ràng, ngay cả chiếc điện thoại mà chúng ta đang dùng để trò chuyện hôm nay cũng hoạt động được là nhờ cơ học lượng tử nền tảng của mọi công nghệ hiện đại”, ông nói.

CÔNG TRÌNH MỞ ĐƯỜNG CHO CÔNG NGHỆ LƯỢNG TỬ

Ủy ban Nobel đánh giá, công trình của ba nhà vật lý đã “biến vật lý lượng tử từ lĩnh vực lý thuyết thuần túy thành nền tảng công nghệ có thể ứng dụng”. Từ các mạch Josephson đến qubit siêu dẫn, thế giới đang chứng kiến sự dịch chuyển từ “hiểu cơ học lượng tử” sang “khai thác cơ học lượng tử”.

Nghiên cứu này “mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ lượng tử. Những phát hiện của Clarke, Devoret và Martinis đặt nền móng cho ba hướng ứng dụng chính: máy tính lượng tử, mật mã lượng tử và cảm biến lượng tử.

Ông Olle Eriksson, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, bày tỏ: “Thật tuyệt vời khi được tôn vinh cơ học lượng tử, một lĩnh vực đã tồn tại hàng thế kỷ nhưng vẫn không ngừng mang đến những bất ngờ mới. Điều đáng nói hơn, nó không chỉ là tri thức nền tảng của khoa học mà còn là nền móng của toàn bộ công nghệ số hiện đại”.

Lễ trao các giải Nobel sẽ được tổ chức vào ngày 10/12 tới tại Stockholm (Thụy Điển) và Oslo (Na Uy). Mỗi giải thưởng gồm huy chương, bằng chứng nhận cá nhân và khoản tiền thưởng 11 triệu kronor Thụy Điển (tương đương 1,2 triệu USD).