Giải Nobel Vật lý 2025 mở ra cơ hội phát triển máy tính lượng tử, cảm biến lượng tử
Giải Nobel Vật lý 2025 đã mở ra cơ hội phát triển thế hệ công nghệ lượng tử tiếp theo, bao gồm: Mật mã lượng tử, máy tính lượng tử, cảm biến lượng tử.
Ngày 7/10/2025, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao Giải Nobel Vật lý 2025 cho những “khám phá hiện tượng đường hầm lượng tử ở cấp độ vĩ mô và sự lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện”.
GS. John Clarke (sinh năm 1942, làm việc tại Đại học California, Berkeley, Hoa Kỳ); GS. Michel H. Devoret (sinh năm 1953, làm việc tại Đại học Yale, New Haven, Connecticut và Đại học California, Santa Barbara, Hoa Kỳ) và GS. John M. Martinis (sinh năm 1958, làm việc tại Đại học California, Santa Barbara, Hoa Kỳ) là các chủ nhân của Giải Nobel Vật lý 2025.
Thí nghiệm trên vi mạch hé lộ vật lý lượng tử ở quy mô "cầm tay"
Một câu hỏi lớn trong vật lý là: Kích thước tối đa của một hệ thống có thể bộc lộ các hiệu ứng cơ học lượng tử là bao nhiêu? Các nhà khoa học đoạt giải Nobel năm nay đã thực hiện các thí nghiệm với một mạch điện, chứng minh được cả hiện tượng hầm lượng tử (quantum tunnelling) và mức năng lượng lượng tử hóa (quantised energy levels) trong một hệ thống đủ lớn để có thể cầm trên tay.
Cơ học lượng tử cho phép một hạt di chuyển thẳng xuyên qua một rào cản, một quá trình gọi là hiện tượng hầm lượng tử. Thông thường, khi có số lượng lớn hạt tham gia, các hiệu ứng cơ học lượng tử sẽ trở nên không đáng kể.
Tuy nhiên, các thí nghiệm của những nhà khoa học đoạt giải Nobel đã chứng minh rằng, các tính chất cơ học lượng tử có thể được biểu hiện rõ ràng ở quy mô vĩ mô (macroscopic scale).
Mạch siêu dẫn và "hạt" vĩ mô
Vào năm 1984 và 1985, 3 nhà vật lý: GS. John Clarke, GS. Michel H. Devoret và GS. John M. Martinis đã tiến hành một loạt thí nghiệm với một mạch điện tử được chế tạo từ chất siêu dẫn - các linh kiện có thể dẫn dòng điện mà không gặp bất kỳ điện trở nào.
Trong mạch, các thành phần siêu dẫn được phân tách bằng một lớp mỏng vật liệu không dẫn điện, một cấu hình được gọi là tiếp xúc Josephson (Josephson junction).
Bằng cách tinh chỉnh và đo lường tất cả các tính chất khác nhau của mạch, họ đã kiểm soát và khám phá các hiện tượng phát sinh khi có dòng điện đi qua. Tập hợp các hạt mang điện di chuyển qua chất siêu dẫn tạo thành một hệ thống mà hành xử như thể chúng là một hạt duy nhất lấp đầy toàn bộ mạch điện.
Thoát khỏi rào cản và lượng tử hóa năng lượng
Hệ thống "hạt vĩ mô" này ban đầu ở trạng thái dòng điện chảy qua mà không có bất kỳ điện áp nào (trạng thái điện áp bằng không). Hệ thống bị "mắc kẹt" trong trạng thái này, như thể bị giữ sau một rào cản không thể vượt qua.
Trong thí nghiệm, hệ thống đã thể hiện tính chất lượng tử của mình bằng cách thoát ra khỏi trạng thái điện áp bằng không thông qua hiện tượng hầm lượng tử. Trạng thái thay đổi của hệ thống được phát hiện thông qua sự xuất hiện của một điện áp.
Các nhà khoa học đoạt giải cũng chứng minh rằng, hệ thống này hành xử theo cách mà cơ học lượng tử dự đoán: Nó được lượng tử hóa, nghĩa là nó chỉ hấp thụ hoặc phát ra những lượng năng lượng cụ thể, gián đoạn chứ không phải liên tục.
Nền tảng cho công nghệ lượng tử thế hệ mới
Thật tuyệt vời khi có thể tôn vinh cách mà cơ học lượng tử đã có từ một thế kỷ trước liên tục mang đến những bất ngờ mới. Nó cũng vô cùng hữu ích, vì cơ học lượng tử là nền tảng của mọi công nghệ kỹ thuật số, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý Olle Eriksson nhấn mạnh.
Các bóng bán dẫn (transistor) trong vi mạch máy tính là một ví dụ về công nghệ lượng tử đã được thiết lập xung quanh chúng ta. Giải Nobel Vật lý 2025 đã mở ra cơ hội phát triển thế hệ công nghệ lượng tử tiếp theo, bao gồm: Mật mã lượng tử (quantum cryptography), máy tính lượng tử (quantum computers), cảm biến lượng tử (quantum sensors)./.