08/10/2025 08:15 GMT+7

Nobel Vật lý 2025: Cơ học lượng tử từ vi mô đến vĩ mô

Đúng 100 năm sau khám phá cơ học lượng tử, Giải Nobel Vật lý 2025 vinh danh ba nhà khoa học Mỹ đã chứng minh hiệu ứng lượng tử kỳ lạ có thể xảy ra ở quy mô lớn, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ lượng tử.

Nobel Vật lý 2025 - Ảnh 1.

Các nhà khoa học John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis được Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển công bố là chủ nhân Giải Nobel Vật lý năm nay, trong buổi họp báo tại Stockholm, Thụy Điển, ngày 7-10 - Ảnh: REUTERS

Năm 1925, các nhà vật lý Heisenberg, Schrödinger và Dirac khám phá ra cơ học lượng tử - một khám phá kỳ lạ có ảnh hưởng thay đổi thế giới.

Đúng 100 năm sau, Giải Nobel Vật lý 2025 được trao cho ba nhà vật lý Mỹ đã đưa hiệu ứng xuyên hầm lượng tử - một hiệu ứng lượng tử vi mô kỳ lạ - vào thế giới vĩ mô, mở ra nhiều ứng dụng đột phá.

Thật tuyệt vời khi có thể tôn vinh cách mà cơ học lượng tử đã tồn tại hàng thế kỷ liên tục mang đến những bất ngờ mới. Nó cũng vô cùng hữu ích, bởi cơ học lượng tử là nền tảng của mọi công nghệ số.

Olle Eriksson (Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, phát biểu)

Khám phá đột phá về hiệu ứng xuyên hầm

Ba nhà vật lý Mỹ gồm: John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis được trao Giải Nobel Vật lý năm 2025 vì đã "khám phá hiệu ứng xuyên hầm lượng tử cấp vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện", theo thông báo của Ủy ban Nobel.

Giải thưởng năm nay vinh danh một loạt thí nghiệm họ tiến hành vào năm 1984 và 1985 trên các mạch điện chất siêu dẫn, chứng minh quá trình "xuyên hầm" - hiện tượng các hạt đi xuyên qua rào cản chỉ có thể xảy ra trong cơ học lượng tử - có thể diễn ra ở kích thước quy mô lớn hơn nhiều so với những gì người ta từng tin trước đây.

Giáo sư John Clarke, tốt nghiệp tiến sĩ tại Đại học Cambridge năm 1968, là giáo sư vật lý tại Đại học California, Berkeley từ năm 1969. Hiện ông là giáo sư danh dự tại khoa sau đại học của trường đại học này.

Ông Michel H. Devoret, sinh ra tại Paris và nhận bằng tiến sĩ tại đó, là giáo sư danh dự ngành vật lý ứng dụng tại Viện Lượng tử Yale thuộc Đại học Yale.

Ông John M. Martinis có bằng tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley. Sau khi giảng dạy tại trường đại học này, gần đây nhất ông làm việc với nhóm quantum AI của Google.

Vào giữa những năm 1980, ông Devoret gia nhập nhóm nghiên cứu của ông Clarke với tư cách là nghiên cứu sau tiến sĩ, cùng nghiên cứu sinh tiến sĩ Martinis. Họ cùng nhau thực hiện thử thách chứng minh hiệu ứng xuyên hầm lượng tử ở cấp vĩ mô.

Trong các thí nghiệm, ba nhà khoa học chế tạo mạch điện từ chất siêu dẫn có thể dẫn dòng điện mà không có điện trở. Bằng cách tinh chỉnh và đo lường các tính chất của mạch, họ có thể kiểm soát các hiện tượng phát sinh. Các hạt tích điện chuyển động qua chất siêu dẫn tạo thành một hệ hoạt động như thể chúng là một hạt duy nhất lấp đầy toàn bộ mạch điện.

Hệ các hạt này ban đầu ở trạng thái mà dòng điện chạy qua không cần có điện áp, như thể bị chắn bởi một rào cản không thể vượt qua.

Trong thí nghiệm, hệ thống đã thể hiện tính chất lượng tử bằng cách thoát khỏi trạng thái này thông qua hiệu ứng đường hầm lượng tử. Ba nhà khoa học cũng chứng minh được rằng hệ thống được lượng tử hóa, nghĩa là chỉ hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng cụ thể.

Nobel Vật lý 2025 - Ảnh 2.

Minh họa hiệu ứng xuyên đường hầm của cơ học lượng tử: Ném một trái banh vào tường, thì thấy nó bật lại. Nhưng ném một hạt vi mô, nó sẽ đi qua bên kia bức tường. Hiệu ứng này thường giảm dần đối với một tập thể nhiều hạt, đó là lý do tại sao ta không bao giờ thấy ai đó xuyên qua tường trong cuộc sống hàng ngày - Ảnh: JOHAN JARNESTAD/Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển

Mở đường cho công nghệ lượng tử

Thí nghiệm này có những hệ quả quan trọng đối với sự hiểu biết về cơ học lượng tử. Trước đó, các hiệu ứng cơ học lượng tử ở cấp độ vĩ mô bao gồm nhiều phần tử vi mô được kết hợp để gây ra các hiện tượng như laser, chất siêu dẫn và chất lỏng siêu lỏng. Tuy nhiên, các thí nghiệm của ba nhà vật lý nhận Giải Nobel năm nay lại tạo ra một hiệu ứng vĩ mô trực tiếp.

Loại trạng thái lượng tử vĩ mô này mở ra tiềm năng mới cho các thí nghiệm sử dụng hiện tượng chi phối thế giới vi mô. Nó có thể được coi là một dạng nguyên tử nhân tạo ở quy mô lớn, được sử dụng để mô phỏng và hỗ trợ nghiên cứu các hệ lượng tử khác.

Một ứng dụng quan trọng là máy tính lượng tử do Martinis thực hiện sau đó. Ông đã sử dụng chính xác lượng tử hóa năng lượng mà ông và hai người đồng đoạt Giải Nobel đã chứng minh, sử dụng mạch với các trạng thái lượng tử hóa làm bit lượng tử hay qubit với trạng thái năng lượng thấp nhất là 0 và mức cao hơn là 1.

Mạch siêu dẫn là một trong những kỹ thuật đang được khám phá trong nỗ lực xây dựng máy tính lượng tử. Martinis là người đứng đầu nhóm nghiên cứu máy tính lượng tử của Google từ 2014 - 2020.

Ông Clarke cho biết nghiên cứu của họ đã góp phần mở đường cho những tiến bộ công nghệ, chẳng hạn như sự ra đời của điện thoại di động. Ủy ban Nobel cũng khẳng định: "Không có công nghệ tiên tiến nào hiện nay mà không dựa trên cơ học lượng tử, bao gồm: điện thoại di động, máy ảnh... và cáp quang".

Khi vật lý và hóa học gặp nhau trong "đường hầm" lượng tử

Giải Nobel Vật lý 2025 được trao cho ba nhà khoa học vì những khám phá về cơ học lượng tử cách đây 40 năm. Kết quả này không quá bất ngờ, bởi UNESCO đã chọn năm 2025 là Năm quốc tế về khoa học và công nghệ lượng tử.

Ủy ban Nobel nêu rõ: "Cơ học lượng tử là nền tảng của toàn bộ công nghệ số… Các thí nghiệm của họ đặt nền móng cho những tiến bộ công nghệ mới dựa trên nguyên lý lượng tử".

Ba nhà vật lý này đã khám phá hiệu ứng chui hầm và xác định sự nhảy năng lượng trong các mạch điện. Hiệu ứng chui hầm sớm trở thành một khái niệm trung tâm trong việc giải thích nhiều phản ứng hóa học.

Có thể hình dung đơn giản như khi qua đèo Hải Vân: các chất phản ứng thường phải "leo đèo" với năng lượng rất lớn, nhưng đôi khi chúng "đi đường hầm", vượt rào năng lượng nhanh hơn để tạo phản ứng.

Hiện tượng chui hầm được giảng dạy ở bậc đại học trong các giáo trình động học hóa học, và được mô phỏng bằng các phương pháp lượng tử khi tính hằng số vận tốc phản ứng. Vật lý và hóa học, một lần nữa, hòa quyện kỳ diệu.

GS. Nguyễn Minh Thọ - Giáo sư danh dự tại Đại học KU Leuven, Bỉ

Nobel Vật lý 2025: cơ học lượng tử từ vi mô đến vĩ mô - Ảnh 3.Nobel Vật lý 2025 trao cho nghiên cứu về cơ học lượng tử

Ba nhà khoa học Mỹ nhận giải Nobel Vật lý năm nay cho nghiên cứu chứng minh rằng các tính chất cơ học lượng tử có thể được quan sát ở quy mô vĩ mô.

Trở thành người đầu tiên tặng sao cho bài viết 0 0 0
Bình luận (0)
thông tin tài khoản
Được quan tâm nhất Mới nhất Tặng sao cho thành viên

    Tuổi Trẻ Online Newsletters

    Đăng ký ngay để nhận gói tin tức mới

    Tuổi Trẻ Online sẽ gởi đến bạn những tin tức nổi bật nhất