Giải Nobel Vật lý 2025 vinh danh người mở ra kỷ nguyên điện toán lượng tử

"Tôi nghĩ tôi có thể tự tin khẳng định rằng không ai hiểu được cơ học lượng tử" – lời nói đùa nổi tiếng của Richard Feynman, một trong những nhà vật lý vĩ đại nhất thế kỷ 20, dường như đã trở thành hiện thực tại buổi lễ công bố giải Nobel Vật lý năm nay.

Ngày 7/10, một không khí bối rối đã bao trùm Hội trường Phiên họp của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển khi giải thưởng Nobel Vật lý được công bố trao cho các nhà khoa học "vì việc khám phá hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện".

Ông Göran Johansson, thành viên ủy ban giải thưởng - người được giao nhiệm vụ giải thích nền tảng khoa học cho công chúng - đã tỏ ra khá lúng túng khi cố gắng truyền tải ý nghĩa và tầm quan trọng của những thành tựu mà các nhà khoa học đoạt giải đã đạt được. Dù là chuyên gia trong lĩnh vực này, ông vẫn gặp khó khăn trong việc diễn giải các khái niệm phức tạp theo cách dễ hiểu.

Trong khi đó, Tiến sĩ John Clarke, một trong ba nhà khoa học được vinh danh, không giấu được sự ngạc nhiên khi ông cùng hai đồng nghiệp nhận giải thưởng danh giá này cho những công trình nghiên cứu đã thực hiện từ 40 năm trước. Sự chậm trễ trong việc công nhận những đóng góp khoa học vốn không hiếm trong lịch sử giải Nobel, nhưng khoảng cách thời gian dài này vẫn khiến chính người trong cuộc bất ngờ.

Khán giả tham dự buổi lễ, chủ yếu là các phóng viên và nhà báo khoa học, cũng tỏ ra bối rối không kém trước những thông tin vừa được công bố.

Tuy nhiên, thực tế đằng sau những thuật ngữ khoa học phức tạp là: những nghiên cứu được tôn vinh năm nay chính là nền tảng then chốt cho việc phát triển một thành phần thiết yếu trong công nghệ chế tạo máy tính lượng tử. Đây không chỉ là một đột phá lý thuyết thuần túy, mà là bước đệm công nghệ mở ra kỷ nguyên điện toán hoàn toàn mới – một trong những bước tiến quan trọng nhất của khoa học và công nghệ hiện đại.

Máy tính lượng tử, với khả năng xử lý thông tin vượt xa máy tính truyền thống, được kỳ vọng sẽ cách mạng hóa nhiều lĩnh vực từ mật mã học, trí tuệ nhân tạo, phát triển dược phẩm đến mô phỏng khí hậu. Và chính những khám phá về hiệu ứng đường hầm lượng tử và lượng tử hóa năng lượng từ 40 năm trước đã đặt viên gạch đầu tiên cho tòa nhà công nghệ này.

Máy tính, dù là lượng tử hay thông thường, đều là những thiết bị vĩ mô. Máy tính truyền thống xử lý "bit" – tín hiệu điện biểu diễn các chữ số nhị phân 1 và 0. Trong khi đó, máy tính lượng tử xử lý "qubit", có giá trị không xác định về mặt lượng tử cho đến khi phép tính hoàn tất.

Vấn đề là cơ học lượng tử thường được cho là chỉ liên quan đến thế giới vi mô của các nguyên tử và hạt hạ nguyên tử. Giải thưởng mà Tiến sĩ Clarke cùng hai đồng nghiệp – John Martinis, khi đó là nghiên cứu sinh tiến sĩ, và Michel Devoret, lúc bấy giờ đang làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ – giành được chính là nhờ công trình tiên phong trong việc thu hẹp khoảng cách giữa thế giới vi mô lượng tử và thế giới vĩ mô hiện thực.

Hiệu ứng đường hầm lượng tử

Hiện tượng mà họ nghiên cứu được gọi là hiệu ứng đường hầm lượng tử. Đây là một biểu hiện của nguyên lý bất định nằm ở cốt lõi của cơ học lượng tử – khả năng các vật thể lượng tử xuất hiện ở phía bên kia của một rào cản (thường là rào cản năng lượng) mà không cần phải nhảy qua hay xuyên thủng nó.

Trong thế giới vi mô, hiện tượng này xảy ra liên tục. Ví dụ điển hình là sự phân rã phóng xạ, phụ thuộc vào việc một hạt alpha hoặc beta (tương ứng là hạt nhân heli và electron) xuyên qua rào cản năng lượng vốn đáng lẽ sẽ giữ chúng bên trong hạt nhân nguyên tử.

Tuy nhiên, khi nhiệt độ hạ xuống gần độ không tuyệt đối, các hiệu ứng lượng tử có thể xuất hiện ở quy mô lớn hơn nhiều. Đặc biệt, ở nhiệt độ cực thấp như vậy, hiện tượng siêu dẫn sẽ chiếm ưu thế.

Dòng điện trong chất siêu dẫn bao gồm nhiều electron kết đôi thành các cặp Cooper, đôi khi còn kết tụ lại thành ngưng tụ Bose-Einstein. Ở những trạng thái này, chúng di chuyển không gặp điện trở và cũng có thể xuyên qua các khe hở vật lý trong dây dẫn mạch điện bằng cách xuyên hầm. Những khe hở này tạo thành cái sau này được gọi là tiếp giáp Josephson – đặt theo tên Brian Josephson, nhà vật lý người Anh đã đề xuất lý thuyết về chúng và cũng được trao giải Nobel Vật lý năm 1973.

John Clarke, Michel Martinis và John Devoret – bộ ba nhà khoa học được vinh danh trong giải Nobel 2025 – đã tiến xa hơn nữa. Trong một loạt thí nghiệm liên quan đến thứ sau này được gọi là "nguyên tử nhân tạo" – thực chất là những ống đồng chứa đầy đồng dạng bột được gắn vào chip silicon siêu dẫn có chứa tiếp giáp Josephson – họ đã chứng minh một điều đột phá: dòng điện đi qua khe hở được lượng tử hóa.

Nói cách khác, dòng điện không thay đổi một cách trơn tru mà tăng giảm theo từng bước rời rạc. Vì thiết bị của họ rõ ràng thuộc quy mô vĩ mô, hiệu ứng đường hầm lượng tử vĩ mô đã chính thức được chứng minh – một cột mốc quan trọng trong lịch sử vật lý hiện đại.

Tuy nhiên, nghiên cứu này đã "ngủ yên" trong vài năm cho đến năm 1999, khi một nhóm các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản nhận ra tiềm năng ứng dụng khổng lồ: nếu có thể kiểm soát sự thay đổi theo từng bước này, họ có thể sử dụng nó để chế tạo thiết bị xử lý bit – hay chính xác hơn, vì đây là thiết bị lượng tử, là qubit.

Bước ngoặt công nghệ

Khám phá này đã dẫn đến việc phát minh ra "qubit pha" – dao động giữa các mức năng lượng lượng tử trong tiếp giáp Josephson. Đây chính là nền tảng của công nghệ máy tính lượng tử ngày nay.

Những qubit pha này, đến lượt mình, đã dẫn đến một thiết kế qubit mạnh mẽ và ổn định hơn có tên gọi "transmon", mà Tiến sĩ Devoret đã có đóng góp quan trọng trong việc phát triển. Transmon hiện là một trong những kiến trúc qubit phổ biến nhất được sử dụng trong các máy tính lượng tử thương mại.

Liệu máy tính lượng tử có đáp ứng được những kỳ vọng cao ngất hiện nay hay không vẫn còn là câu hỏi chưa có lời giải. Và nếu chúng thực sự đạt được tiềm năng của mình, thế giới sẽ chứng kiến một cuộc cách mạng công nghệ đến mức nào – đó là điều mà ngay cả những nhà khoa học đoạt giải Nobel cũng chưa thể dự đoán chính xác.

Điều chắc chắn là: sau 40 năm, những viên gạch đầu tiên mà ba nhà khoa học này đặt nền móng giờ đây đã trở thành những tòa nhà công nghệ, đang mở ra những chân trời mới cho nhân loại trong kỷ nguyên điện toán lượng tử.

Theo Economist