Hôm nay, ngày 7 tháng 10 năm 2025, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố giải Nobel Vật lý năm 2025 được trao cho ba nhà khoa học: John Clarke, Michel Devoret và John Martinis "cho khám phá về hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong một mạch điện".
Công trình đột phá của họ đã chứng minh rằng các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, vốn thường chỉ được quan sát ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử, cũng có thể biểu hiện ở quy mô vĩ mô trong các mạch điện được thiết kế đặc biệt. Khám phá này không chỉ mở ra một chương mới trong sự hiểu biết của chúng ta về vật lý lượng tử mà còn đặt nền móng cho sự phát triển của các công nghệ mang tính cách mạng, đặc biệt là máy tính lượng tử.
Hiệu ứng đường hầm lượng tử và những hệ vĩ mô
Cơ học lượng tử, ra đời vào đầu thế kỷ 20, mô tả một thế giới nơi các hạt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cùng một lúc (chồng chất) và có thể "đào hầm" xuyên qua các rào cản năng lượng mà theo vật lý cổ điển là không thể vượt qua. Một trong những ứng dụng ban đầu của lý thuyết này là để giải thích hiện tượng phân rã alpha trong hạt nhân nguyên tử.
Trong nhiều thập kỷ, những hiện tượng lượng tử này được cho là đặc trưng của thế giới vi mô. Tuy nhiên, vào những năm 1980, các nhà khoa học bắt đầu đặt câu hỏi liệu các hệ thống lớn hơn, bao gồm hàng tỷ hạt, có thể biểu hiện các hành vi lượng tử tập thể hay không.
Công trình tiên phong của Clarke, Devoret và Martinis
Làm việc tại Đại học California, Berkeley, nhóm của John Clarke, cùng với sinh viên tiến sĩ của ông là John Martinis và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Michel Devoret, đã thiết kế và thực hiện một loạt các thí nghiệm tinh vi vào cuối những năm 1980. Họ đã sử dụng một linh kiện gọi là "tiếp xúc Josephson" - về cơ bản là hai lớp siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng.
Trong các thí nghiệm được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp, gần độ không tuyệt đối, nhóm đã chứng minh một cách thuyết phục hai hiện tượng lượng tử ở quy mô vĩ mô:
- Đường hầm lượng tử vĩ mô (Macroscopic Quantum Tunneling - MQT): Họ đã quan sát thấy dòng điện trong mạch có thể "đào hầm" qua một trạng thái năng lượng bị cấm, một hành vi không thể giải thích được bằng vật lý cổ điển. Đây là bằng chứng trực tiếp cho thấy một biến số vĩ mô (trong trường hợp này là pha của dòng điện siêu dẫn) tuân theo các quy luật của cơ học lượng tử.
- Lượng tử hóa năng lượng: Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh rằng hệ thống mạch điện của họ chỉ có thể tồn tại ở các mức năng lượng rời rạc, giống như các mức năng lượng của một nguyên tử. Bằng cách chiếu xạ vi sóng vào mạch, họ có thể kích thích hệ thống chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, một dạng quang phổ của một "nguyên tử nhân tạo".
Những thí nghiệm này là một thành tựu kỹ thuật xuất sắc, đòi hỏi phải loại bỏ gần như hoàn toàn nhiễu từ môi trường để các hiệu ứng lượng tử mỏng manh có thể được quan sát.
Tác động và Di sản
Công trình của Clarke, Devoret và Martinis đã chuyển đổi lĩnh vực vật lý chất rắn và mở đường cho một lĩnh vực hoàn toàn mới: mạch lượng tử siêu dẫn. Việc chứng minh rằng các mạch điện có thể hoạt động như các hệ lượng tử hai mức (gọi là "qubit") đã trở thành một trong những nền tảng quan trọng nhất cho việc xây dựng máy tính lượng tử.
Ngày nay, các mạch siêu dẫn dựa trên tiếp xúc Josephson là một trong những công nghệ hàng đầu trong cuộc đua toàn cầu nhằm xây dựng các máy tính lượng tử quy mô lớn, có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp vượt xa tầm với của các siêu máy tính mạnh nhất hiện nay.
Giải Nobel Vật lý 2025 không chỉ vinh danh một khám phá khoa học cơ bản sâu sắc mà còn ghi nhận một công trình đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ, hứa hẹn sẽ định hình tương lai của khoa học và xã hội.
