Đóa hồng lượng tử của thế kỷ 21 

Khoa học lượng tử đang phát triển mạnh mẽ. Vẻ đẹp của nó không chỉ nằm ở sự bí ẩn mà còn ở những ứng dụng thực tế, mang tính đột phá mà nó truyền cảm hứng cho nhiều lĩnh vực khác, trong đó có nghệ thuật.

Lễ khai mạc Năm quốc tế về khoa học và công nghệ lượng tử chính thức sẽ diễn ra tại trụ sở UNESCO ở Paris vào ngày 4 và 5/2/2025. Từ góc nhìn chuyên môn, điểm nhấn của năm sẽ là hội thảo từ ngày 9 đến 14/6 tại Helgoland – một hòn đảo nhỏ ngoài khơi bờ biển Đức, nơi Heisenberg đã có bước đột phá đúng 100 năm trước. Nhiều nhà vật lý hàng đầu sẽ có mặt ở đó, bao gồm cả năm người đoạt giải Nobel trong lĩnh vực thông tin lượng tử. 

Matin Durrani, tổng biên tập của tạp chí Physics World, giới thiệu rất nhiều hoạt động theo chủ đề lượng tử trong năm 2025, Năm quốc tế về khoa học và công nghệ lượng tử, đã được Liên Hợp Quốc công bố, nhằm đánh dấu 100 năm Werner Heisenberg đã đặt nền móng khai sinh ra cơ học lượng tử. Năm quốc tế về khoa học và công nghệ lượng tử đang phát triển mạnh mẽ có những mục tiêu đầy tham vọng nhằm chứng minh khoa học lượng tử có thể làm mọi thứ từ phát triển kinh tế, hỗ trợ ngành công nghiệp và cải thiện sức khỏe con người cho đến khắc phục biến đổi khí hậu, cung cấp năng lượng sạch và giảm bất bình đẳng trong giáo dục và nghiên cứu. 

Chip lượng tử của Rigetti Computing

Máy tính lượng tử do Rigetti Computing của Mỹ – một công ty chuyên phát triển mạch tích hợp lượng tử dùng trong máy tính lượng tử và nền tảng đám mây cho phép các lập trình viên viết các thuật toán lượng tử – phát triển dựa trên các qubit (quantum bit) siêu dẫn được làm từ các vật liệu như nhôm, indium và niobi. Các qubit được sản xuất bằng cách kết hợp các phương pháp chế tạo mới, các chất bán dẫn và các hệ vi cơ điện tử (micro-electromechanical systems) hiện đại. Chip lượng tử chứa các qubit và các thành phần khác như các bộ cộng hưởng đọc (readout resonators) được lắp ráp cẩn thận bên trong một vỏ bọc bằng đồng mạ vàng tạo kết nối với một bảng mạch in (printed circuit board). Bảng mạch in này định tuyến các tín hiệu đến các đầu nối vi sóng; toàn bộ hệ thống được làm lạnh xuống dưới 10 millikelvin bằng phương pháp làm lạnh pha loãng (dilution refrigeration) – một phương pháp làm lạnh tới nhiệt độ cực thấp để các hiệu ứng lượng tử có thể bộc lộ. Môi trường mà trong đó các qubit hoạt động được thiết kế cẩn thận để chúng không mất đi tính đồng bộ. 

Khoa học lượng tử đang phát triển mạnh mẽ. Vẻ đẹp của nó không chỉ nằm ở sự bí ẩn mà còn ở những ứng dụng thực tế, mang tính đột phá mà nó truyền cảm hứng, với những tiến bộ to lớn trong nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng quan trọng như tính toán lượng tử, truyền thông lượng tử, mật mã lượng tử và cảm biến lượng tử, v.v.. Vô số công ty công nghệ đang tham gia vào hoạt động này, bao gồm những gã khổng lồ như Google, IBM và Microsoft cũng như các công ty khởi nghiệp như Oxford Quantum Circuits, PsiQuantum, Quantinuum, QuEra và Riverlane. Các doanh nghiệp trong các lĩnh vực liên quan – từ ngân hàng đến hàng không vũ trụ – cũng đang để mắt đến khả năng của công nghệ lượng tử. 

Về nguyên tắc, thiết kế của Rigetti có thể được mở rộng để tạo ra các bộ xử lý lượng tử lớn hơn và đáng tin cậy hơn chứa nhiều qubit hơn trong một con chip. Vỏ bọc chip lượng tử tạo cảm hứng mạnh cho tác phẩm nghệ thuật của Kondratyeva là một đĩa có đường kính 81,5 mm và sâu 12 mm. Máy tính lượng tử được lắp ráp hoàn chỉnh gồm con chip ở trung tâm, vỏ của nó được gắn ở dưới cùng của một cấu trúc giống như tòa tháp và phần còn lại là bộ phận làm lạnh và dây điện. Các tín hiệu được truyền đến và truyền đi từ con chip để điều khiển hoạt động của các qubit và cho ra kết quả của các phép đo lượng tử.

Nghệ thuật thủy tinh

Thành công của Rigetti Computing khiến Oksana Kondratyeva, một nhà thiết kế và sản xuất nghệ thuật thủy tinh người Ukraine, có bằng tiến sĩ về lý thuyết kiến trúc, cảm thấy kinh ngạc. Cô đã quyết định hợp tác với Rigetti Computing để sáng tạo ra một tác phẩm nghệ thuật kính màu lấy cảm hứng từ máy tính lượng tử của công ty này – một “đóa hồng lượng tử cho thế kỷ 21”, như cô đã gọi nó. 

Tại sao lại có sự kết hợp nghệ thuật kính màu và lượng tử? Chúng ta biết rằng, trong nhiều thế kỷ, kính màu đã được sử dụng để tạo ra những màu sắc và hoa văn tuyệt đẹp dưới tác động của ánh sáng. Đây là loại hình nghệ thuật mang tính “vật lý” nhất trong tất cả các loại hình nghệ thuật. Nếu bạn đã từng vào Nhà thờ Chartres ở Pháp hoặc Nhà thờ York Minster ở Anh, bạn hẳn đã biết loại kính này có thể biến đổi một tòa nhà như thế nào bằng cách chuyển ánh sáng Mặt trời thành những họa tiết nhiều màu sắc tuyệt đẹp và quyến rũ. Tuy nhiên, điều bạn có thể không nhận ra là loại hình nghệ thuật này đã trải qua nhiều thế kỷ với những tiến bộ không ngừng của khoa học.

Những người thợ lắp kính thời Đế quốc Đông La Mã (Byzantine) trong thời kỳ Hậu Cổ đại và Trung cổ bắt đầu làm các cửa sổ kính chì (leaded glass windows) vào thế kỷ thứ 6 sau Công nguyên trước khi kỹ thuật này lan rộng khắp châu Âu. Nhưng khả năng nhuộm kính màu chỉ xuất hiện vào thế kỷ 14 khi các nhà giả kim thời Trung cổ phát hiện ra việc phủ kính bằng bạc nitrat và nung trong lò nung sẽ tạo cho kính một dải màu từ sắc thái cam đến sắc thái vàng. Theo Kondratyeva, bằng chứng khảo cổ học cho thấy kính màu đầu tiên ở Ukraine có từ thời Trung cổ, khi các nghệ nhân tạo ra những ô cửa sổ và tranh ghép nhiều màu sắc, chủ yếu dành cho nhà thờ và các tòa nhà tôn giáo. 

Nhưng nền văn hóa kính đang phát triển lúc bấy giờ đã bị gián đoạn khi cuộc xâm lược của người Tartar-Mông Cổ năm 1240 tàn phá lãnh thổ này. Đến cuối thế kỷ 19, nghệ thuật kính của Ukraine hồi sinh và phát triển mạnh. Với nhu cầu thúc đẩy bởi sự bùng nổ xây dựng ở Kyiv, Lviv và Kharkiv, các xưởng sản xuất thủy tinh địa phương đã sớm xuất hiện ở Ukraine và các nghệ sĩ Ukraine đã pha trộn thủy tinh với các chất liệu khác nhau để tạo ra “các tác phẩm nghệ thuật tổng thể”. Sau một loạt các giai đoạn phát triển để tạo ra nhiều hiệu ứng trang trí khác nhau, kính màu trở thành vừa là một nghệ thuật vừa là một nghề thủ công. Đặc biệt quan trọng là việc sử dụng axit hydrofluoric – một chất lỏng độc hại và có tính ăn mòn cao – nhằm lột bỏ bề mặt kính, từng lớp một, làm thay đổi màu sắc và độ dày của kính. Kỹ thuật khắc axit hydrofluoric như thế được các nghệ sĩ kiến trúc thủy tinh hiện đại sử dụng rộng rãi. Các hoa văn đẹp có thể được tạo ra bằng cách thay đổi độ đậm và nhiệt độ của axit cũng như thay đổi thời gian tiếp xúc của axit với thủy tinh. Các vật liệu như sáp, bitum và lá chì (lead foil) cũng có thể được sử dụng như chất chống thấm để giữ nguyên các phần không tiếp xúc với axit của thủy tinh. 

Khi nhìn thấy một bức ảnh về vỏ bọc của một con chip lượng tử vào năm 2020, Kondratyeva đã vô cùng kinh ngạc trước hình học thanh lịch của vật thể bí ẩn này, nơi chứa đựng “bộ não” của máy tính lượng tử. Nhớ tới những ô cửa sổ có hình hoa hồng tròn tuyệt đẹp ở các nhà thờ thời Trung cổ, cô muốn sử dụng kính để tạo ra một “đóa hồng lượng tử” cho thế kỷ 21.

Như những “nghệ sĩ thủy tinh” khác, Kondratyeva coi mình là một dạng người theo chủ nghĩa thực nghiệm. Cô sử dụng kiến thức thực nghiệm về thủy tinh để tạo ra những vật thể đẹp – thậm chí đôi khi còn có những khám phá mới. Trên thực tế, một số nhà sử học cho rằng axit flohydric lần đầu tiên đã được tạo ra vào năm 1670 bởi một thợ làm thủy tinh người Đức tên là Heinrich Schwanhardt, người đã dùng chất axit đó để thay đổi bề mặt thủy tinh theo một cách mới lạ. Trong khi xử lý một loại khoáng chất gọi là fluorspar bằng axit, Schwanhardt thấy rằng thấu kính trong kính của mình bị đục – điều thúc đẩy ông bắt đầu sử dụng phản ứng tương tự để khắc thủy tinh. Chỉ sau đó rất lâu – vào cuối thế kỷ 18 – các nhà hóa học mới thực hiện được các thí nghiệm thích hợp để chứng minh rằng flourspar (canxi florua) phản ứng với axit để tạo ra thứ mà ngày nay được gọi là axit hydrofluoric. Từ thế kỷ 19 trở đi, kỹ thuật khắc axit bắt đầu được nhiều nghệ sĩ và xưởng vẽ kính màu trên khắp Anh quốc và Ireland sử dụng. Harry Clarke (1889–1931) sinh ra ở Dublin là người tiên phong trong kỹ thuật khắc axit hydrofluoric, ông đã làm chủ kỹ thuật này theo cách vô cùng cá nhân và giàu trí tưởng tượng.

Kondratyeva kể, lần đầu tiên cô biết đến phương pháp khắc axit là vào năm 2010 khi đang học về thủy tinh và kiến trúc tại Central Saint Martins, một bộ phận của Đại học Nghệ thuật London. Kỹ thuật này khiến cô thích thú. Cô bắt đầu tự hỏi về nguồn gốc và cách thức hoạt động của nó, theo quan điểm khoa học: Có những quá trình hóa học nào liên quan? Điều gì xảy ra nếu thay đổi cách xử dụng axit? Và, làm thế nào để tạo ra hiệu ứng trang trí mới?

Không thể tìm ra câu trả lời đầy đủ cho những câu hỏi của mình, Kondratyeva bắt đầu nghiên cứu và tự tiến hành các thí nghiệm. Cô muốn hiểu cách fluorspar (một loại khoáng chất quý sử dụng trong luyện kim, sản xuất thủy tinh, v.v.) – ở dạng không màu, xanh lục đậm hoặc thậm chí tím – có thể biến thành axit hydrofluoric và những gì xảy ra ở cấp độ hóa học khi nó được dùng để khắc thủy tinh. Trong quá trình nghiên cứu Kondratyeva đã công bố một bài báo trên The Journal of Stained Glass (số 38 trang 146). Cô rất ngạc nhiên khi tìm thấy những tài liệu tham khảo về kính trong các bài giảng nổi tiếng của Richard Feynman về điện động lực học lượng tử. Trong quyển sách với tựa đề “Điện động lực học lượng tử: Lý thuyết kỳ lạ về ánh sáng và vật chất” (“QED: The Strange Theory of Light and Matter”), Feynman đã giải thích về sự phản xạ một phần của ánh sáng bằng cách thử nghiệm với các khối kính. Ông cho thấy, lượng ánh sáng phản xạ tăng theo độ dày của kính và chỉ ra rằng các photon tương tác với các điện tử của toàn bộ vật liệu, chứ không chỉ với các điện tử trên bề mặt. Feynman đã viết: “Mỗi mảnh kính là một con quái vật phức tạp khủng khiếp – một số lượng lớn các điện tử trong mảnh kính đó bị lắc lư”. 

Gần đây, Kondratyeva, thử nghiệm với kính có độ dày khác nhau để tạo ra một tác phẩm nghệ thuật lấy cảm hứng từ vỏ bọc của một con chip lượng tử do Rigetti Computing sản xuất. Với tên gọi là ‘Thông qua khoa học đến các vì sao’ (‘Per scientiam ad astra’), tác phẩm nghệ thuật này đã được trưng bày tại Triển lãm thủy tinh của Anh năm 2024 tại Trung tâm thủy tinh Ruskin ở Stourbridge – một khu vực có ý nghĩa lịch sử đối với nghề làm thủy tinh, nơi tiên phong trong việc tạo ra thủy tinh khắc vào thế kỷ 19.

Đóa hồng lượng tử của thế kỷ 21

Việc tạo ra một tác phẩm nghệ thuật dựa trên công nghệ lượng tử có thể là một điều bất thường, nhưng khi Kondratyeva nhìn thấy một bức ảnh về vỏ bọc của một con chip lượng tử vào năm 2020, cô đã vô cùng kinh ngạc trước hình học thanh lịch của vật thể bí ẩn này, nơi chứa đựng “bộ não” của máy tính lượng tử. Nhớ tới những ô cửa sổ có hình hoa hồng tròn tuyệt đẹp ở các nhà thờ thời Trung cổ, Kondratyeva muốn sử dụng kính để tạo ra một “đóa hồng lượng tử” cho thế kỷ 21. Công ty Rigetti đã liên lạc với Kondratyeva sau khi các kế hoạch của cô được báo cáo trên Physics World vào tháng 6 năm 2022.

Như bạn có thể tưởng tượng, khắc axit hydrofluoric là một kỹ thuật cực kỳ nguy hiểm, vì chất lỏng này có tính ăn mòn cao. Kondratyeva khắc axit trên kính của Công ty LambertsGlas của Đức trong một xưởng được trang bị đặc biệt với tủ thông gió để hút khói và cô mặc bộ đồ bảo hộ có mặt nạ hô hấp, trông giống một phi hành gia hơn là một nghệ sĩ. 

Giống như các phương trình toán học có thể có vẻ đẹp bên trong, máy tính lượng tử cũng có vẻ đẹp tiềm ẩn thông qua vô số cải tiến công nghệ hỗ trợ chúng.

Có thể thực hiện khắc axit theo nhiều cách khác nhau (xem Materials Today: Proceedings 55, 56) – nhưng Kondratyeva thích thoa axit một cách tự do bằng cọ cotton hoặc cọ nhựa. Cô gọi kỹ thuật đó là “vẽ axit”. Tác phẩm nghệ thuật có đường kính chỉ hơn một mét đã hoàn thành trong vài tháng.  Tác phẩm này, có màu xanh lam là chủ đạo với một điểm nhấn màu đỏ ở giữa, liên tục thay đổi khi bạn di chuyển xung quanh nó. Người xem dường như bị cuốn hút bởi nó, với những lời bình luận như “thật mạnh mẽ, đầy quyền lực” và “thật tinh tế, huyền bí và siêu việt”. Tác phẩm “Per scientiam ad astra” sẽ được chuyển đến một nơi riêng không xa Trung tâm Máy tính lượng tử Quốc gia của Vương quốc Anh ở Oxfordshire, nơi đang đặt một trong những máy tính lượng tử của Rigetti.

Giao thoa giữa nghệ thuật và khoa học

Cửa sổ kính màu đã từng là “sách minh họa” dành cho những người không biết đọc – là công cụ truyền tải kiến thức bí ẩn như kể những câu chuyện về cuộc sống con người. Theo một cách nào đó, điều tương tự cũng đúng với máy tính lượng tử trong việc giúp con người mở rộng hiểu biết của mình về thực tại. Và cũng giống như các phương trình toán học có thể có vẻ đẹp bên trong, máy tính lượng tử cũng vậy, cũng có vẻ đẹp tiềm ẩn thông qua vô số cải tiến công nghệ hỗ trợ chúng.

Nhân dịp năm 2025 được chọn là Năm quốc tế về khoa học và công nghệ lượng tử, Kondratyeva hy vọng tác phẩm nghệ thuật của cô sẽ đặt ra những câu hỏi thú vị về giao thoa giữa nghệ thuật và khoa học, tiếp tục cuộc đối thoại do Charles Percy Snow (một tiểu thuyết gia và nhà khoa học người Anh) khởi xướng trong bài giảng sâu sắc của mình vào năm 1959 với tựa đề “Hai nền văn hóa và cuộc cách mạng khoa học”, trong đó ông đã bàn về sự chia rẽ văn hóa giữa khoa học và nhân văn, về tầm quan trọng của đối thoại và hợp tác liên ngành. (xem https://physicsworld.com/a/two-cultures-turns-50/ ). Liệu đó có phải là một cửa sổ ẩn dụ vào kiến trúc bí mật của vũ trụ? Hay đó là hình dung trực quan của chúng ta về thực tại, nơi thế giới của cơ học Newton và thế giới của cơ học lượng tử hợp nhất? 

Làm việc với kính màu đòi hỏi phải hiểu cách vật liệu hoạt động nhưng kiến thức đó chỉ giúp bạn đi được đến một mức độ nào đó mà thôi. Để khám phá những vùng mới của thực tại và vẻ đẹp của nó, sự bất ngờ cũng đóng vai trò nhất định. Nghệ thuật kính màu là hội tụ của sự tất định và bất định, nơi khoa học và nghệ thuật hòa quyện với nhau. Nghệ thuật có thể kết nối mọi người; và thông qua vẻ đẹp trong nghệ thuật, chúng ta có thể tạo ra một thực tại tốt đẹp hơn.□

Nguyễn Bá Ân tổng hợp

Nguồn:

Bài đăng Tia Sáng số 24/2024