Vinh danh nghiên cứu đột phá về lượng tử

Giải Nobel Vật lý năm 2025 đã được trao cho 3 nhà khoa học John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis ngày 7-10 vì những khám phá mang tính đột phá của họ trong lĩnh vực cơ học lượng tử. Theo Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, 3 nhà khoa học này được vinh danh vì đã "khám phá ra hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện".

Đường hầm lượng tử - hay còn gọi là xuyên hầm lượng tử - là một hiệu ứng cơ học lượng tử cho phép một hạt di chuyển thẳng qua một rào cản. Nhưng theo quy luật thông thường, hiệu ứng lượng tử này chỉ đúng ở cấp độ siêu nhỏ. Ngay khi có sự tham gia của số lượng lớn các hạt, những hiệu ứng cơ học lượng tử thường trở nên không đáng kể. Tuy nhiên, các thí nghiệm của 3 nhà khoa học nói trên đã chứng minh các đặc tính cơ học lượng tử - bao gồm hiệu ứng đường hầm lượng tử và mức năng lượng được lượng tử hóa - có thể được cụ thể hóa ở quy mô vĩ mô, trở thành một thứ hoàn toàn thực tế: Một hệ thống đủ lớn để cầm trên tay.

Câu chuyện bắt đầu từ những năm 1984 và 1985. Khi đó, 3 nhà khoa học Clarke, Devoret, Martinis đã tiến hành một loạt thí nghiệm với một mạch điện tử được chế tạo từ các chất siêu dẫn, tức loại linh kiện mà dòng điện có thể đi qua với điện trở bằng 0. Trong mạch này, các linh kiện siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp mỏng vật liệu không dẫn điện. Bằng cách tinh chỉnh và đo lường tất cả các đặc tính khác nhau của mạch, họ đã có thể kiểm soát và khám phá các hiện tượng phát sinh khi cho dòng điện chạy qua.

Khi có dòng điện, tập hợp các hạt tích điện đã di chuyển qua chất siêu dẫn như thể chúng là một hạt khổng lồ duy nhất bao phủ toàn bộ mạch điện. Hệ thống hạt vĩ mô này ban đầu "mắc kẹt" trong trạng thái dòng điện chạy qua mà không có điện áp. Thế nhưng, nó đã nhanh chóng thể hiện tính chất lượng tử bằng cách thoát khỏi trạng thái điện áp bằng 0 thông qua hiện tượng xuyên hầm lượng tử. Sự thay đổi trạng thái của hệ thống được phát hiện thông qua sự xuất hiện của điện áp. Song song đó, công trình này cũng chứng minh toàn bộ hệ thống trên vận hành đúng như những gì cơ học lượng tử dự đoán: Nó được lượng tử hóa, nghĩa là chỉ hấp thụ hoặc phát ra những mức năng lượng cụ thể.

Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý Olle Eriksson nhận định lĩnh vực cơ học lượng tử đã tồn tại hàng thế kỷ nhưng vẫn liên tục mang đến những bất ngờ mới. "Cơ học lượng tử là nền tảng của mọi công nghệ số" - ông Eriksson khẳng định. Theo trang The Nobel Prize, các bóng bán dẫn trong vi mạch máy tính là một ví dụ về công nghệ lượng tử đã được ứng dụng rộng rãi.

Ngoài ra, không có công nghệ tiên tiến nào ngày nay mà không dựa vào cơ học lượng tử, như điện thoại di động, máy ảnh, cáp quang… Không dừng lại ở đó, Giải Nobel Vật lý năm nay còn mang đến cơ hội phát triển thế hệ công nghệ lượng tử tiếp theo, trong đó có mật mã lượng tử, máy tính lượng tử và cảm biến lượng tử.