 |
John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis. |
Một câu hỏi lớn trong vật lý là kích thước tối đa của một hệ có thể chứng minh được các hiệu ứng lượng tử. Những người giành giải Nobel Vật lý năm nay đã thực hiện các thí nghiệm với một mạch điện mà trong đó họ có thể chứng minh cả hiện tượng xuyên hầm của cơ học lượng tử và lượng tử hóa các mức năng lượng trong một hệ đủ lớn có thể cầm trên tay.
Các transistor trong các vi chip máy tính là một ví dụ của công nghệ lượng tử được thiết lập xung quanh chúng ta. Giải Nobel Vật lý năm nay đã đem lại những cơ hội cho công nghệ lượng tử thế hệ mới, bao gồm mật mã lượng tử, máy tính lượng tử và cảm biến lượng tử. "Thật kỳ diệu là chúng ta có thể chúc mừng vật lý lượng tử đúng năm kỷ niệm 100 năm khai sinh cơ học lượng tử. Điều đó cho thấy, sau 100 năm thì cơ học lượng tử vẫn tạo ra những điều bất ngờ mới. Sự hữu dụng của nó vô cùng to lớn, vì cơ học lượng tử là nền tảng của mọi công nghệ số hóa," Olle Eriksson, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, nói.
Những gì ba nhà khoa học được trao giải Nobel đã chứng tỏ, khoa học có thể đặt ý tưởng của một thí nghiệm tưởng tượng vào thực tế, Richard Fitzgerald, Tổng biên tập tạp chí Physics Today và từng là một thành viên trong một nhóm nghiên cứu cạnh tranh với họ trong những năm 1990, nói. "Họ không chỉ đưa ý tưởng này đi xa mà còn chứng tỏ là có thể hoàn thiện nó".
Đứng trên vai những người khổng lồ
Vào những năm 1980, John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis bước vào trận tuyến này với nhiều gợi ý trong quá khứ. Họ đã có những khái niệm và công cụ thực nghiệm được phát triển nhiều thập kỷ. Cùng với lý thuyết hấp dẫn, vật lý lượng tử là nền tảng của vật lý hiện đại và các nhà nghiên cứu đã dành cả thế kỷ để khám phá những gì ẩn dấu bên trong di sản đó.
Năng lực xuyên hầm của từng hạt đã được hiểu rõ. Vào năm 1928, nhà vật lý George Gamow đã nhận ra xuyên hầm là một lý do giải thích tại sao một số hạt nhân nguyên tử nặng lại có xu hướng phân ra theo một kiểu riêng biệt. Sự tương tác giữa các lực trong hạt nhân tạo ra một hàng rào bao quanh nó, giữ lại các hạt. Tuy nhiên, bất chấp điều đó, một mảnh nhỏ của hạt nhân nguyên tử thi thoảng lại thoát ra, vượt qua ngoài hàng rào – để lại đằng sau một hạt nhân đã chuyển thành nguyên tố khác. Không có đường hầm, dạng phân rã hạt nhân này không thể xảy ra.
Xuyên hầm là một quá trình cơ học lượng tử. Một số dạng hạt nhân nguyên tử có một hàng rào cao và rộng, vì vậy có thể mất nhiều thời gian để một mảnh hạt nhân vượt ra, còn những dạng phân rã khác thì dễ dàng hơn nhiều. Nếu chúng ta chỉ nhìn vào một nguyên tử, chúng ta không thể dự đoán được khi nào điều này xảy ra nhưng nếu theo dõi sự phân rã của một lượng lớn hạt nhân nguyên tử cùng dạng, chúng ta có thể đo lường được thời gian trước khi hiện tượng xuyên hầm xảy ra. Cách chung nhất để miêu tả điều này là khái niệm bán rã.
Các nhà vật lý đã nhanh chóng tự hỏi liệu có thể tìm hiểu một dạng xuyên hầm bao gồm nhiều hạt cùng lúc không. Một cách tiếp cận để dạng thực nghiệm mới bắt nguồn từ một hiện tượng khởi sinh khi một số vật liệu ở mức nhiệt độ thấp cực đoan, đó là siêu dẫn với các cặp electron hình thành các cặp Cooper – mang tên Leon Cooper, người cùng với John Bardeen và Robert Schrieffer miêu tả chi tiết về cách siêu dẫn hoạt động. Nỗ lực của họ đã được giải Nobel Vật lý năm 1972 ghi nhận.
Nếu kết hợp hai siêu dẫn cùng với nhau và đặt một hàng rào cách điện giữa chúng, chúng ta có thể tạo ra một tiếp giáp Josephson – được đặt theo tên của Brian Josephson, người đã thực hiện tính toán cơ học lượng tử cho tiếp giáp này. Khám phá của ông đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1973, và nhanh chóng có nhiều ứng dụng, bao gồm những đo lường chính xác hằng số vật lý cơ bản và từ trường.
Công trình này cũng đem lại những công cụ cho khám phá những điều cơ bản cho vật lý lượng tử theo cách mới. Một người đã làm được điều đó là Anthony Leggett (giải Nobel Vật lý năm 2003), người có công trình lý thuyết về xuyên hầm lượng tử vĩ mô tại một tiếp giáp Josephson đã truyền cảm hứng cho các dạng thực nghiệm mới.
Một loạt thí nghiệm nền tảng
Có một điều kỳ lạ là khi có một số lượng lớn hạt tham gia thì hiệu ứng cơ học lượng tử này lại trở nên không đáng kể. Thật không ngờ, chủ đề này khớp một cách hoàn hảo với mối quan tâm của John Clarke, giáo sư ở ĐH California, Berkeley, nơi ông chuyển đến sau khi tốt nghiệp tiến sĩ ở ĐH Cambridge, Anh vào năm 1968. Tại UC Berkeley, ông tạo nhóm nghiên cứu và tập trung vào khám phá một phạm vi hiện tượng bằng siêu dẫn và tiếp giáp Josephson.
Vào giữa những năm 1980, Michel Devoret tham gia vào nhóm nghiên cứu của John Clarke trong vị trí postdoc, sau khi nhận bằng tiến sĩ ở Paris. Trong nhóm này còn có nghiên cứu sinh John Martinis. Cùng với nhau, họ vượt qua thách thức chứng minh hiện tượng xuyên hầm lượng tử vĩ mô. Họ đã thành công trong tinh chỉnh và đo lường tất cả các đặc tính của mạch điện, qua đó cho phép họ hiểu nó một cách chi tiết.
Vào năm 1984 và 1985, tại ĐH California, Berkeley, họ đã thực hiện một loạt thực nghiệm với một mạch điện từ các siêu dẫn, những thành phần có thể tạo ra một dòng điện không điện trở với các thành phần siêu dẫn được phân tách bằng tiếp giáp Josephson. Bằng việc tinh chỉnh và đo lường vô số đặc tính của mạch điện này, họ đã có thể kiểm soát và khám phá hiện tượng xuất hiện khi đưa một dòng điện chạy qua. Cùng với nhau, các hạt tích điện chuyển động qua siêu dẫn và tích hợp vào một hệ mà chúng hành xử như một hạt đơn lẻ trong toàn bộ mạch điện.
Hệ thống điện siêu dẫn của họ có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, như thể nó đã xuyên thẳng qua bức tường. Họ cũng chứng tỏ hệ thống này hấp thụ và phát ra năng lượng trong những mức cụ thể, như đã được cơ học lượng tử dự đoán.
Để đo lường được hiện tượng lượng tử này, họ đã đưa một dòng điện yếu vào tiếp giáp Josephson và đo điện áp, vốn liên quan đến điện trở trong mạch. Điện áp trên tiếp giáp Josephson gần bằng không, như họ chờ đợi. Sở dĩ như vậy vì hàm sóng của hệ ở gần trạng thái không cho phép điện áp xuất hiện. Sau đó họ nghiên cứu xem mất bao lâu để hệ thống thoát khỏi trạng thái này, và trở thành nguyên nhân tạo ra điện áp. Do cơ học lượng tử đòi hỏi một yếu tố ngẫu nhiên, họ thực hiện nhiều đo lường và đưa kết quả vào thành đồ thị để có thể đọc được thời gian tồn tại của trạng thái không điện áp, tương tự như đo lường sự bán rã của hạt nhân nguyên tử dựa trên thống kê vô số thời điểm phân rã.
Hiện tượng xuyên hầm đã được chứng tỏ được cách thiết lập thực nghiệm cho các cặp Cooper, trong điệu nhảy đồng bộ của chúng, hành xử như một hạt cực lớn. Hệ thống giống hạt này được bẫy trong một trạng thái mà trong đó dòng điện chảy ra không gặp bất cứ trở ngại nào – một trạng thái không đủ năng lượng để vượt qua. Trong thực nghiệm, hệ thống chứng tỏ đặc tính lượng tử của mình bằng việc sử dụng khả năng xuyên hầm để vượt khỏi trạng thái điện áp bằng không, tạo ra một điện áp.
Nhờ vậy, các nhà nghiên cứu đã có thể xác nhận về điều này khi họ thấy hệ đó lượng tử hóa được các mức năng lượng. Cơ học lượng tử đã hiển thị trong quan sát này khi năng lượng ở các quá trình vi mô được phân chia thành các gói riêng rẽ. Họ đã đưa các vi sóng ở vô số bước sóng thành trạng thái không điện áp. Một số được hấp thụ và hệ này chuyển sang mức năng lượng cao hơn. Điều đó chứng tỏ là trạng thái điện áp bằng không tồn tại ở một quãng thời gian ngắn khi hệ đó chứa nhiều năng lượng – chính xác với những gì cơ học dự đoán.
Thực nghiệm này đã mở ra nhiều hiểu biết mới về cơ học lượng tử. Những dạng khác của hiệu ứng cơ học lượng tử được thể hiện ở cấp độ vĩ mô, được tạo thành từ nhiều phần nhỏ bé và những đặc tính lượng tử riêng rẽ của chúng. Các thành phần vi mô sau đó được kết hợp để tạo ra hiện tượng vĩ mô như laser, siêu dẫn và chất lỏng siêu chảy. Thí nghiệm này thay vì tạo ra một hiệu ứng vĩ mô – một điện áp có thể đo được – từ một trạng thái vĩ mô trong một hình thức hàm sóng phổ biến cho vô số hạt.
Các nhà lý thuyết như Anthony Leggett đã so sánh hệ lượng tử vĩ mô của ba nhà khoa học với thực nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Erwin Schrödinger: đặt một con mèo ở trạng thái vừa sống lại vừa chết vào một cái hộp. (Erwin Schrödinger được trao giải Nobel Vật lý năm 1933). Mục tiêu của thực nghiệm tưởng tượng là chứng tỏ sự vô lý của tình trạng này, bởi các đặc trưng đặc biệt của cơ học lượng tử thường bị mất đi ở cấp độ vĩ mo. Các đặc tính lượng tử của toàn bộ con mèo này không thể chứng minh bằng một thực nghiệm trong phòng thí nghiệm được.
Legget cho rằng, các thực nghiệm của John Clarke, Michel Devoret và John Martinis đã chứng tỏ, đó là một hiện tượng bao gồm vô sô hạt hành xử cùng nhau đúng như cơ học lượng tử dự đoán. Hệ vĩ mô bao gồm nhiều cặp Cooper vẫn nhỏ hơn nhiều bậc so với một con mèo con – nhưng bởi vì thực nghiệm đo lường các đặc trưng cơ học lượng tử có thể áp dụng cho một hệ thì với một nhà vật lý lượng tử, hệ đó cũng tương tự như con mèo tưởng tượng của Schrödinger.
Dạng trạng thái lượng tử vĩ mô này đưa ra những tiềm năng thực nghiệm mới bằng việc sử dụng hiện tượng chế ngự thế giới của những hạt vi mô. Nó có thể được coi là một nguyên tử nhân tạo ở quy mô lớn, ví dụ các nguyên tử nhân tạo thường được sử dụng để mô phỏng các hệ lượng tử khác và giúp hiểu được chúng.
Một ví dụ khác là thực nghiệm máy tính lượng tử mà sau này Martinis thực hiện, trong đó ông đã sử dụng chính xác lượng tử hóa năng lượng mà ông cùng John Clarke, Michel H. Devoret đã tiến hành. Ông sử dụng một mạch với các trạng thái lượng tử hóa như những khối mang thông tin – một bit lượng tử. Trạng thái năng lượng thấp nhất và bước tiếp theo là vận hành cho nó gần về không và một. Các mạch siêu dẫn là một kỹ thuật được khám phá để xây dựng một máy tính lượng tử tương lai.
Bộ ba được trao giải Nobel do đã đóng góp cả về lợi ích thực tiễn trong các phòng thí nghiệm vật lý và đem lại hiểu biết lý thuyết mới về thế giới vật lý của chúng ta.
Nhìn về tương lai
Vợ của Martinis nói với hãng thông tấn Associated Press rằng tin về giải Nobel đến khi Martinis vẫn còn đang ngủ. Trong quá khứ, họ vẫn thường bị đánh thức trong đêm công bố vật lý. Khi được đánh thức, Martinis kể, "tôi mở máy tính và thấy kết quả giải Nobel Vật lý 2025, thấy ảnh tôi cùng Michel Devoret và John Clarke. Tôi đã sốc".
Còn Clarke thì cho rằng chưa bao giờ nghĩ là mình sẽ được trao giải Nobel "Tôi hoàn toàn choáng váng. Ý tôi là, giải thưởng là thứ mà tôi chưa bao giờ tưởng tượng ra trong suốt đời mình". Con gái ông đã gọi điện tới chúc mừng, và ngay lập tức, ông cũng nhận được hàng trăm email.
Martinis giờ là một nhà khoa học ở Google, xây dựng máy tính lượng tử trước khi đồng sáng lập Công ty Qolab. Ông cho biết mục tiêu lớn trong tương lai là tính toán lượng tử, có thể là một bước nhảy vọt về tốc độ và sự phức tạp, khi phụ thuộc vào sức mạnh của các trạng thái mâu thuẫn trong thế giới hạ nguyên tử.
Và vẫn cần khoảng thời gian từ 8 đến 10 năm. Nhưng ông nói các thí nghiệm của nhóm ông đã chứng tỏ ‘một máy tính có thể có được rất nhiều sức mạnh tính toán".
Devoret giờ là nhà khoa học trưởng của dự án tính toán lượng tử ở Google. Các máy tính lượng tử là "một ứng dụng dễ thấy" và sẽ giúp phát triển các cảm biến có thể dò và đo đạc được những hiện tượng rất khó nắm bắt, ví dụ như từ trường. Nó cũng có thể thúc đẩy mật mã mã hóa thông tin để không cho phép kẻ thứ ba nghe lén, Mark Pearce, giáo sư vật lý thiên văn và thành viên Ủy ban Nobel Vật lý, nói.
Nguồn: phys.org, nobelprize.org
Bài đăng KH&PT số 1365 (số 41/2025)
Anh Vũ tổng hợp