Giải Nobel Vật lý 2025 mở đường cho cơ học lượng tử bước ra thế giới thực

Ba nhà khoa học Mỹ được trao giải Nobel Vật lý 2025 vì “phát hiện ra hiệu ứng đường hầm lượng tử vĩ mô và sự lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện”.

Chủ nhân giải thưởng Nobel Vật lý 2025 John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis - Ảnh: Nobel Prize

Đây là giải Nobel thứ hai được công bố trong mùa Nobel năm nay, sau Giải Nobel Y sinh, tiếp tục khẳng định vị thế của vật lý học trong việc mở rộng hiểu biết của nhân loại về thế giới tự nhiên ở những giới hạn sâu nhất.

Khi các hiện tượng lượng tử bước ra thế giới vĩ mô

Những thí nghiệm của ba nhà khoa học đã mở ra một chương mới cho vật lý hiện đại, khi họ chứng minh rằng các hiệu ứng cơ học lượng tử — vốn chỉ được quan sát ở cấp độ hạ nguyên tử — hoàn toàn có thể tồn tại và được kiểm soát ở quy mô lớn hơn, cụ thể là trong một mạch điện có kích thước bằng bàn tay người.

Trước đây, các hiệu ứng lượng tử như hiện tượng đường hầm hay năng lượng lượng tử hóa thường chỉ được phát hiện trong phạm vi cực nhỏ — ở mức độ của electron, proton hay các nguyên tử riêng lẻ. Tuy nhiên, công trình này đã chứng minh điều ngược lại: rằng những hiện tượng kỳ lạ của thế giới lượng tử vẫn có thể biểu hiện trong các hệ thống vĩ mô mà mắt thường có thể quan sát, nếu điều kiện vật lý được tạo lập một cách chính xác.

Mạch siêu dẫn và bước đột phá trong thí nghiệm

Bộ ba nhà khoa học đã chế tạo một mạch điện siêu dẫn, trong đó các vật liệu có khả năng dẫn điện mà không có điện trở được ngăn cách bởi một lớp cách điện cực mỏng, tạo thành mối nối Josephson – một cấu trúc nổi tiếng trong vật lý lượng tử ngưng tụ.

Trong hệ thống này, dòng điện có thể tồn tại ở trạng thái ổn định không xuất hiện điện áp, giống như bị “mắc kẹt” phía sau một rào cản năng lượng. Nhưng điều kỳ diệu là, hệ thống lại có thể “xuyên qua bức tường” đó bằng hiệu ứng đường hầm lượng tử, để chuyển sang một trạng thái khác có điện áp.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu còn chứng minh được rằng hệ thống chỉ hấp thụ hoặc phát ra năng lượng theo từng phần rời rạc, đúng như dự đoán của cơ học lượng tử – rằng năng lượng trong tự nhiên không phải là một đại lượng liên tục, mà được chia thành những “gói năng lượng” (quantum) nhất định.

Công trình này đã biến các khái niệm lý thuyết tưởng chừng trừu tượng của vật lý lượng tử trở thành những hiện tượng có thể đo đạc và quan sát được bằng thiết bị thực nghiệm – một bước tiến mang ý nghĩa nền tảng cho công nghệ lượng tử trong tương lai.

Chân dung ba nhà khoa học được vinh danh

John Clarke, sinh năm 1942 tại Cambridge, Vương quốc Anh, nhận bằng Tiến sĩ năm 1968 tại Đại học Cambridge. Ông hiện là Giáo sư Vật lý tại Đại học California, Berkeley (Mỹ). Trong suốt sự nghiệp của mình, Clarke nổi tiếng với những đóng góp tiên phong trong lĩnh vực cảm biến siêu dẫn và đo đạc lượng tử chính xác.

Michel H. Devoret, sinh năm 1953 tại Paris, Pháp, nhận bằng Tiến sĩ năm 1982 tại Đại học Paris-Sud. Ông hiện là Giáo sư tại Đại học Yale (Mỹ) và Đại học California, Santa Barbara. Devoret là một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới về mạch lượng tử và điện tử siêu dẫn, đồng thời là người tiên phong trong việc ứng dụng các nguyên lý lượng tử vào máy tính lượng tử.

John M. Martinis, sinh năm 1958 tại Mỹ, nhận bằng Tiến sĩ năm 1987 tại Đại học California, Berkeley. Ông hiện giảng dạy tại Đại học California, Santa Barbara và được xem là một trong những kiến trúc sư của máy tính lượng tử hiện đại, từng hợp tác cùng Google trong dự án đạt “ưu thế lượng tử” (quantum supremacy) năm 2019.

Cánh cửa mở ra cho thế hệ công nghệ lượng tử mới

Những kết quả này không chỉ mang giá trị học thuật mà còn đặt nền móng cho các ứng dụng thực tế, từ máy tính lượng tử có khả năng xử lý vượt xa siêu máy tính ngày nay, đến mật mã lượng tử đảm bảo an toàn tuyệt đối cho thông tin và cảm biến lượng tử có độ chính xác cao chưa từng có.

Phát biểu về công trình, Olle Eriksson, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, nhận định: “Thật tuyệt vời khi thấy rằng cơ học lượng tử — một lý thuyết hơn 100 năm tuổi — vẫn liên tục mang lại những điều bất ngờ. Nó không chỉ giúp ta hiểu rõ hơn về bản chất của thế giới, mà còn trở thành nền tảng cho toàn bộ công nghệ số hiện đại”.

Từ chiếc mạch điện nhỏ bé đó, ba nhà khoa học đã chứng minh rằng ranh giới giữa thế giới vi mô và vĩ mô không còn tuyệt đối. Các quy luật lượng tử vốn được cho là chỉ tồn tại trong “thế giới của hạt” giờ đây đã bước ra thế giới thực, trở thành công cụ của nhân loại trong hành trình chinh phục công nghệ tương lai.

Giải Nobel Vật lý 2025, vì thế, không chỉ tôn vinh ba nhà khoa học xuất sắc, mà còn là lời khẳng định rằng cơ học lượng tử — dù ra đời cách đây hơn một thế kỷ — vẫn đang viết tiếp những chương kỳ diệu của mình trong thế giới hiện đại.

Giải thích về đường hầm lượng tử

Đường hầm lượng tử (Quantum Tunneling) là một hiện tượng kỳ lạ trong cơ học lượng tử, khi một hạt vi mô (như electron, proton, hoặc photon) có thể xuyên qua một rào cản năng lượng — một vật cản mà theo quy luật vật lý cổ điển, nó không thể vượt qua được.

Trong vật lý cổ điển, nếu bạn ném một quả bóng vào tường, quả bóng hoặc bật ngược trở lại, hoặc dừng lại — không thể xuyên qua bức tường được, trừ khi năng lượng ném đủ lớn để phá vỡ nó.

Nhưng trong thế giới lượng tử, các hạt vi mô không tồn tại ở vị trí cố định, mà có thể được mô tả như một “sóng xác suất”. Điều đó có nghĩa là chúng có một xác suất nhỏ để xuất hiện ở phía bên kia của rào cản, ngay cả khi năng lượng của chúng không đủ để vượt qua rào cản đó.

Hiện tượng hạt “xuất hiện” ở phía bên kia được gọi là hiệu ứng đường hầm lượng tử — như thể hạt đã “đào một đường hầm” xuyên qua bức tường năng lượng để đi qua.

Nhờ công trình đoạt giải Nobel 2025, đây là lần đầu tiên trong lịch sử, các hiện tượng như hiệu ứng đường hầm lượng tử và năng lượng lượng tử hóa được quan sát trực tiếp trong một mạch điện vĩ mô, chứ không chỉ trong nguyên tử hay photon.

Nhờ vào khả năng điều khiển trạng thái lượng tử của các mạch này, thế giới đã có thể: Tạo ra qubit ổn định hơn, cho phép lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử; Phát triển cảm biến lượng tử cực nhạy, đo từ trường hoặc điện trường yếu đến mức không thể đo được bằng công nghệ cổ điển; Ứng dụng trong y học, thiên văn, và mã hóa lượng tử.

Nói cách khác, cơ học lượng tử từng bị coi là “trừu tượng và khó hiểu”, nhưng công trình của ba nhà khoa học đã biến điều đó thành thực tế hữu hình. Họ không chỉ “chứng minh” mà còn “hiện thực hóa” các tiên đoán của lý thuyết lượng tử trong một thiết bị cụ thể, có thể được tái tạo, đo đạc và ứng dụng.

Giống như việc chuyển từ phép màu sang khoa học thực chứng, đây là bước tiến khiến cả cộng đồng vật lý phải thán phục. Giải Nobel Vật lý 2025 không chỉ tôn vinh quá khứ của cơ học lượng tử, mà còn vẽ nên tương lai của công nghệ nhân loại.

Bùi Tú