Để hiểu tầm quan trọng Nobel Vật lý 2025, bài viết có đôi cắt nghĩa Khoa Học cần thiết: hiệu ứng đường hầm ở cấp độ vĩ mô.
- Lượng tử sống được trong thế giới thực — mở ra kỷ nguyên nơi “vật lý lượng tử” không còn là lý thuyết, mà là nền tảng của công nghệ tương lai.
Giới thiệu: Nobel cho hiệu ứng đường hầm ở cấp độ vĩ mô
Giải Nobel Vật lý 2025 đã được trao cho ba nhà khoa học:
- John Clarke (người Anh, Đại học California – Berkeley),
- John M. Martinis (người Mỹ, Đại học California – Santa Barbara),
- Michel H. Devoret (người Pháp, Đại học Yale & UC Santa Barbara),
Phát hiện hiện tượng đường hầm lượng tử vĩ mô và sự lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện siêu dẫn.
Công trình của họ chứng minh rằng các hiện tượng lượng tử — vốn chỉ quan sát thấy ở cấp độ vi mô (nguyên tử, electron) — hoàn toàn có thể xuất hiện và được kiểm soát trong những hệ thống lớn hơn nhiều, cụ thể là một mạch điện siêu dẫn có thể đo đạc và điều khiển được.
Bối cảnh vật lý: từ hiệu ứng đường hầm vi mô đến hiện tượng vĩ mô
Hiệu ứng đường hầm lượng tử ở cấp vi mô
- Trong cơ học lượng tử, một hạt có xác suất không bằng 0 để “xuyên qua” một rào cản năng lượng, dù năng lượng của nó nhỏ hơn độ cao của rào cản — đây là hiệu ứng đường hầm lượng tử (quantum tunneling).
- Theo vật lý cổ điển, hạt sẽ bị chặn lại nếu không đủ năng lượng. Nhưng trong lượng tử, bản chất sóng của hạt cho phép nó “rò rỉ” qua rào chắn theo xác suất.
- Hiện tượng này đã được ghi nhận trong các thí nghiệm ở cấp độ nguyên tử và hạ nguyên tử (electron, proton…).
Tuy nhiên, khi cộng gộp hàng tỷ tỷ hạt — như trong vật thể lớn — hiệu ứng lượng tử thường bị triệt tiêu, vì dao động lượng tử trung bình thành con số 0.
Thách thức: “Hiệu ứng đường hầm vĩ mô”
Câu hỏi cốt lõi:
“Liệu một hệ thống có thể duy trì các đặc tính lượng tử (chồng chập, đường hầm, lượng tử hóa năng lượng) ở quy mô lớn đến đâu?”
Ba nhà khoa học được trao Nobel đã trả lời bằng thực nghiệm:
Họ chứng minh rằng ngay cả một hệ thống vĩ mô — một mạch điện nhìn thấy và điều khiển được — vẫn có thể hành xử như một vật thể lượng tử thống nhất.
Thí nghiệm: chứng minh hiệu ứng đường hầm vĩ mô
Mạch siêu dẫn và “nối Josephson”
- Các thí nghiệm của họ bắt đầu từ những năm 1984–1985.
- Dụng cụ trung tâm là một mạch siêu dẫn, gồm hai khối vật liệu siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp cách điện cực mỏng, gọi là “nối Josephson” (Josephson junction).
- Trong siêu dẫn, các electron ghép cặp thành các cặp Cooper và di chuyển mà không có điện trở. Tập hợp các cặp Cooper này có thể được xem như một “hạt lượng tử tập thể” của toàn mạch.
Quan sát hiện tượng đường hầm
- Hệ thống ban đầu ở trạng thái không có điện áp (zero-voltage state) — dù có dòng điện, nhưng không có hiệu điện thế, nghĩa là năng lượng của hệ bị “mắc kẹt” phía sau một rào cản thế năng.
- Khi đo đạc chính xác, họ phát hiện hệ có thể “thoát ra” khỏi trạng thái này bằng cách xuyên qua rào cản năng lượng, không phải nhờ tác động bên ngoài mà hoàn toàn theo hiệu ứng đường hầm lượng tử.
- Khi hiện tượng xảy ra, điện áp đột ngột xuất hiện trong mạch — dấu hiệu rằng “rào cản” đã được xuyên thủng.
- Họ lặp lại hàng ngàn phép đo, thống kê xác suất thời gian mà hệ “ở yên” trước khi nhảy ra — và phân bố kết quả phù hợp với công thức xác suất đường hầm lượng tử, chứ không phải một hiện tượng nhiễu cổ điển.
Lượng tử hóa năng lượng
- Các nhà khoa học còn chứng minh rằng hệ thống hấp thụ hoặc phát ra năng lượng theo từng lượng tử rời rạc, tương tự như electron trong nguyên tử chỉ tồn tại ở những mức năng lượng xác định.
- Khi chiếu vào mạch những sóng vi ba (microwave) có tần số nhất định, họ quan sát thấy xác suất xảy ra đường hầm thay đổi đúng như dự đoán trong mô hình lượng tử — nghĩa là hệ có các “mức năng lượng” riêng biệt.
Ý nghĩa khoa học và công nghệ
Một “nguyên tử nhân tạo” ở quy mô vĩ mô
Mạch siêu dẫn này có thể được xem như một “nguyên tử nhân tạo”:
nó có các mức năng lượng rời rạc như nguyên tử, nhưng được tạo ra bằng tay từ vật liệu điện tử — có thể đo, điều khiển và kết nối.
Đây là nền tảng mở ra thời đại của mạch lượng tử (quantum circuits), dùng trong máy tính lượng tử.
Cơ sở của bit lượng tử (qubit)
- Các mức năng lượng lượng tử trong mạch có thể đại diện cho hai trạng thái “0” và “1” của qubit.
- Chính John Martinis là người tiên phong ứng dụng loại mạch siêu dẫn này để tạo ra máy tính lượng tử siêu dẫn đầu tiên.
- Michel Devoret sau đó phát triển thêm các thiết kế mới gọi là “transmon qubit”, ổn định hơn, ít nhiễu hơn.
Ảnh hưởng đến công nghệ lượng tử hiện đại
Phát hiện này là nền móng của nhiều công nghệ đang phát triển:
- Máy tính lượng tử (quantum computers),
- Cảm biến lượng tử siêu nhạy,
- Truyền thông và mã hóa lượng tử.
Các phòng thí nghiệm như Google Quantum AI hay IBM Quantum đều dựa vào nguyên lý mà Clarke, Martinis và Devoret đặt nền từ bốn thập niên trước.
Tiểu sử tóm tắt của ba nhà khoa học
- John Clarke (sinh năm 1942): Giáo sư danh dự tại Đại học California, Berkeley. Ông là người hướng dẫn cả Martinis và Devoret trong các nghiên cứu đầu tiên về đường hầm lượng tử vĩ mô.
- John M. Martinis (sinh 1958): Học trò của Clarke, ông là người thực hiện các phép đo đầu tiên về “tunneling lượng tử và lượng tử hóa năng lượng trong trạng thái không điện áp” của nối Josephson. Sau này ông dẫn đầu nhóm nghiên cứu máy tính lượng tử tại Google.
- Michel H. Devoret (sinh 1953): Nhà vật lý người Pháp, làm việc tại Yale, nổi tiếng với các công trình về điện động lực học lượng tử mạch (circuit quantum electrodynamics) và các loại qubit siêu dẫn tiên tiến.
Suy ngẫm cuối cùng
- Khái niệm “vĩ mô lượng tử” (macroscopic quantum) luôn mang tính tương đối: dù các thiết bị này nhỏ so với thế giới đời thường, chúng lớn hơn vô cùng so với kích thước nguyên tử — và việc duy trì tính lượng tử ở quy mô đó là kỳ công.
- Điều này chứng minh: các định luật cơ học lượng tử không chỉ giới hạn ở thế giới vi mô — nếu điều kiện được kiểm soát nghiêm ngặt (nhiệt độ cực thấp, môi trường cô lập), chúng vẫn hoạt động trong các hệ lớn.
- Vấn đề lớn nhất vẫn là sự mất kết hợp (decoherence) — khi hệ lượng tử bị môi trường xung quanh làm “mất tính lượng tử”.
- Ba nhà khoa học được vinh danh năm 2025 đã chứng minh rằng, với thiết kế tinh vi và công nghệ siêu dẫn, con người có thể khiến lượng tử sống được trong thế giới thực — mở ra kỷ nguyên nơi “vật lý lượng tử” không còn là lý thuyết, mà là nền tảng của công nghệ tương lai.
Ghi chú
Pierre Nguyễn