Nobel Vật lý 2025: Tất định bất ngờ

Điều này đã mở ra cơ hội cơ hội phát triển các công nghệ lượng tử mới, như mật mã lượng tử, máy tính lượng tử và cảm biến lượng tử.

Kết quả dự báo trước

Trước kỳ trao giải Nobel năm nay, giới chuyên môn đã cho rằng giải vật lý gần như chắc chắn sẽ thuộc về lĩnh vực cơ học lượng tử. Lý do: năm nay là chẵn 100 năm cơ học lượng tử ra đời. Và khi xét đến các đóng góp của cơ học lượng tử đối với sự phát triển của khoa học và công nghệ trong suốt một thế kỷ qua, Liên hiệp quốc đã tuyên bố 2025 là "Năm quốc tế về khoa học và công nghệ lượng tử". Từ đầu năm 2025, khắp mọi nơi giới khoa học đã kỷ niệm và thực hiện nhiều hội thảo về cơ học lượng tử.

Tuy nhiên, đúng như bản chất bất định của cơ học lượng tử, giải thưởng năm nay vẫn ẩn chứa một yếu tố bất ngờ. Đó là, Ủy ban Nobel đã chọn vinh danh công trình nghiêng nặng về yếu tố kỹ thuật, thay vì những khám phá tri thức mới.

Điều này làm cho chính GS John Clarke, đồng chủ nhân của giải Nobel năm nay, cũng không khỏi bất ngờ. Ông cho biết: "Tôi hoàn toàn bất ngờ. Tôi không bao giờ nghĩ rằng nghiên cứu đó lại là cơ sở cho giải thưởng Nobel".

Vậy thành tựu chính của công trình được giải năm nay là gì?

Nhìn lại lịch sử

Chỉ ba năm sau khi cơ học lượng tử ra đời, năm 1928 George Gamow đã phát hiện ra rằng hiệu ứng xuyên hầm chính là lý do vì sao chúng ta có phân rã phóng xạ của hạt nhân.

Trong hạt nhân nguyên tử, bình thường thì lực hạt nhân sẽ giữ cho các hạt ổn định trong phạm vi của hạt nhân. Điều này tương tự như các hạt nhân bị giam hãm trong phạm vi của một bức tường cao và không thể thoát ra ngoài.

Nhưng trên thực tế, đôi khi ta thấy một mảnh nhỏ của hạt nhân thoát ra, làm hạt nhân biến đổi. Điều này tương tự việc một mảnh của hạt nhân đã chui xuyên qua bức tường cao theo một "đường hầm" nào đó. Người ta gọi đó là hiệu ứng xuyên hầm, một đặc trưng của cơ học lượng tử.

Một cách trực giác, ta có thể suy luận rằng nếu bức tường càng dày thì hiệu ứng xuyên hầm càng ít có cơ hội để xảy ra. Ngoài ra, do tính chất thống kê của cơ học lượng tử, ta không thể tiên đoán được khi nào thì hiện tượng này xảy ra.

Tuy nhiên, ta vẫn có thể mô tả hiện tượng này bằng khái niệm chu kỳ bán rã, tức khoảng thời gian để một nửa số hạt nhân trong mẫu bị phân rã. Hẳn nhiên, khi bức tường càng dày, chu kỳ bán rã sẽ càng dài.

Câu hỏi đặt ra là, hiệu ứng xuyên hầm này, hay tổng quát hơn là các đặc trưng của cơ học lượng tử, liệu có xuất hiện ở các hệ thống vĩ mô, tức các hệ nhiều hạt, hay lý tưởng hơn, là các hệ có kích thước đủ lớn để ta có thể quan sát và cầm nắm được?

Xuyên hầm lượng tử vĩ mô

Năm 1962, Brian Josephson, khi đó còn là một sinh viên cao học 22 tuổi, đã thực hiện một tính toán lý thuyết và thấy rằng: nếu chèn một miếng cách điện vào giữa hai miếng siêu dẫn thì hiệu ứng xuyên hầm sẽ xảy ra. Khi đó, ta sẽ có xuyên hầm lượng tử ở cấp vĩ mô.

Việc này xảy ra như thế nào? Trong vật liệu thông thường, các hạt điện tử di chuyển tự do. Mỗi điện tử độc lập với các điện tử khác, chúng thích ở riêng chứ không bao giờ chịu "chung chạ" với những hạt giống hệt mình. Đó chính là nội dung của nguyên lý loại trừ Pauli.

Nhưng trong một số vật liệu, khi làm lạnh đến một nhiệt độ nào đó, các điện tử lại bắt cặp với nhau tạo thành các cặp Cooper (gọi theo tên của người đã khám phá ra cơ chế bắt cặp này) để tạo ra một trạng thái đặc biệt giúp chúng có thể di chuyển mà không gặp cản trở về điện nào. Đó chính là trạng thái siêu dẫn của vật liệu. Khi đó, mỗi cặp Cooper được mô tả bởi cùng một hàm sóng, và ứng xử như một hạt duy nhất.

Tính toán của Brian Josephson cho thấy khi ta chèn một miếng cách điện vào giữa hai miếng siêu dẫn thì các cặp Cooper sẽ xuyên hầm qua miếng cách điện để chui sang miếng siêu dẫn. Toàn bộ các cặp Cooper khi đó sẽ hòa vào nhau và hành xử như một hạt duy nhất, được mô tả bởi cùng một hàm sóng.

Thực nghiệm sau đó thực hiện bởi nhóm Phillip W. Anderson ở Bell Labs đã chứng minh tính toán của Brian Josephson là đúng. Josephson đã được trao giải Nobel vật lý năm 1973 vì khám phá này.

Các nhà khoa học được giải năm nay đã làm gì?

Các nghiên cứu được vinh danh trong giải Nobel vật lý năm nay bắt đầu với John Clarke, giáo sư Đại học California, Berkeley (Mỹ), nơi ông chuyển đến từ năm 1968 sau khi khi tốt nghiệp tiến sĩ Đại học Cambridge. Tại UC Berkeley, Clarke đã xây dựng nhóm nghiên cứu của mình, tập trung vào các thực nghiệm liên quan đến chất siêu dẫn và chuyển tiếp Josephson.

Năm 1982, Michel Devoret gia nhập nhóm nghiên cứu của John Clarke với tư cách là nghiên cứu viên sau tiến sĩ, và John Martinis cũng tham gia với tư cách nghiên cứu sinh. Năm 1985 họ công bố kết quả nghiên cứu về hiệu ứng xuyên hầm lượng tử vĩ mô ở lớp chuyển tiếp Josephson. Đó chính là lý do vì sao họ cùng nhau được trao giải Nobel năm nay.

Công tâm mà nói, nghiên cứu của nhóm Clarke không tập trung vào những vấn đề mới có tính cách nền tảng, vì hiệu ứng xuyên hầm qua lớp chuyển tiếp Josephson đã được nghiên cứu và thực nghiệm thành công trước đó rồi. Thay vào đó, nhóm cải tiến thực nghiệm để có được thiết bị đo tinh nhạy và ổn định hơn, nhờ đó đo lường được chính xác các tính chất của mạch điện.

Ngoài ra, các hệ lượng tử luôn thể hiện hiện tượng lượng tử hóa các mức năng lượng. Điều đó có nghĩa là năng lượng không phải là một dải liên tục, mà được chia thành các gói có giá trị xác định. Mỗi gói là một đơn vị. Năng lượng của hệ không thể có giá trị bất kỳ, mà là một bộ số của năng lượng đơn vị. Điều này cũng giống như tiền tệ vậy. Mỗi một đồng là một "lượng tử" tiền, nên ta chỉ có một số tiền bao nhiêu đồng đó thôi, với bước nhảy tối thiểu là một đồng.

Để khảo sát hiện tượng lượng tử hóa năng lượng của hệ, nhóm Clarke đã đưa một dòng điện yếu vào lớp chuyển tiếp Josephson và đo điện áp. Ban đầu, điện áp trên lớp chuyển tiếp Josephson bằng 0 đúng như dự kiến. 

Điều này là do hàm sóng của hệ thống đang ở trong một trạng thái không cho phép điện áp phát sinh. Sau đó, họ nghiên cứu thời gian cần thiết để hệ thống thoát khỏi trạng thái này và gây ra điện áp trên lớp chuyển tiếp.

Vì cơ học lượng tử mang trong mình yếu tố xác suất, nên nhóm đã phải thực hiện nhiều phép đo và biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị, từ đó có thể tính được khoảng thời gian của trạng thái điện áp bằng 0. Điều này tương tự như cách các phép đo chu kỳ bán rã của hạt nhân nguyên tử dựa trên xác suất của trường hợp phóng xạ phân rã hạt nhân đã nói ở trên.

Nhóm nghiên cứu của Clarke đã thành công trong công việc trên tiến tới hiểu rõ được tính chất của mạch điện đã củng cố thêm cơ sở và góp phần tạo ra các thiết bị có sử dụng hiệu ứng lượng tử vĩ mô tinh nhạy và ổn định hơn. 

Một trong số các thiết bị đó có thể kể đến là máy tính lượng tử mà chính Martinis đã thực hiện trong giai đoạn 2014-2020 khi ông là trưởng nhóm nghiên cứu về máy tính lượng tử của Google.