Nobel Vật lý 2025: Nền tảng cho máy tính lượng tử siêu dẫn
Điểm nổi bật của giải thưởng năm nay là cụm công trình của bộ ba được thực hiện trên vật thể vĩ mô chứa tới hàng tỉ electron, ngưng tụ lại thành một trạng thái duy nhất mô tả bởi một hàm sóng lượng tử ở lớp tiếp giáp Josephson lớn gần bằng sợi tóc.
Ngày 7/10/2025, Ủy ban trao giải đã công bố giải Nobel Vật lý 2025 cho ba nhà khoa học John Clarke, giáo sư Đại học California tại Berkeley, Michel Devoret, giáo sư Đại học Yale và Đại học California tại Santa Barbara, và John Martinis, giáo sư Đại học California tại Santa Barbara. John Clarke vốn là nhà khoa học người Anh, Michel Devoret là người Pháp, và John Martinis là người Mỹ, đều là thành viên của Hiệp hội Vật lý Mỹ APS. Clarke và Devoret là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Mỹ. Giải thưởng được trao cho “các khám phá về hiệu ứng xuyên hầm lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trên mạch điện”. Giải thưởng này tập trung vào cụm công trình công bố trong khoảng thời gian 1985 khi John Martinis đang làm nghiên cứu sinh và Devoret là nghiên cứu sau tiến sĩ (postdoc) trong nhóm nghiên cứu của GS. John Clarke tại Đại học California Berkeley. Đây là giải thưởng rất có ý nghĩa khi được trao vào năm Quốc tế khoa học và công nghệ lượng tử theo Liên Hợp Quốc (https://quantum2025.org).
Đứng trên vai những người khổng lồ
Giải Nobel Vật lý 2025 là sự mở rộng trực tiếp từ các công trình được trao giải Nobel năm 1973 cho Leo Esaki (IBM), Ivar Giaever (General Electric) về “các khám phá thực nghiệm về hiệu ứng xuyên hầm trong bán dẫn và siêu dẫn” và Brian Josephson (Cambridge) cho “các tiên đoán lý thuyết về tính chất của dòng điện siêu dẫn tại lớp rào cản xuyên hầm, cụ thể cho các hiệu ứng được biết đến với tên hiệu ứng Josephson”.
Các khám phá trong phòng thí nghiệm của GS. John Clarke đặt nền móng cho các nghiên cứu về vật lý lượng tử trên mạch điện siêu dẫn, mà tới năm 2000 qubit siêu dẫn lần đầu tiên được chế tạo bởi GS. Nakamura tại Đại học Tokyo.
Điểm nổi bật của giải thưởng năm nay là cụm công trình của bộ ba được thực hiện trên vật thể vĩ mô chứa tới hàng tỉ electron, ngưng tụ lại thành một trạng thái duy nhất mô tả bởi một hàm sóng lượng tử ở lớp tiếp giáp Josephson lớn gần bằng sợi tóc. Trạng thái kết hợp này cho dòng điện lên tới 0,01 mA, hoàn toàn được điều khiển và đo đạc bởi những thiết bị điện thông dụng. Đáng chú ý là dòng điện Josephson của vật thể vĩ mô được chứng minh bằng thực nghiệm là có thể xuyên hầm lượng tử, có thể bị lượng tử hóa, và do đó thể hiện rõ ràng các tính chất như chồng chập lượng tử, vướng víu lượng tử. Rõ ràng, vật lý lượng tử là một lý thuyết phổ quát áp dụng từ nguyên tử, ánh sáng, cho tới những vật thể vĩ mô do con người tạo ra.
Vào khoảng năm 1985, GS. John Clarke nghiên cứu lớp tiếp giáp Josephson cùng nghiên cứu sinh John Martinis và postdoc Michel Devoret tại Đại học California Berkeley. Họ thực hiện các thí nghiệm đo dòng điện trên lớp Josephson giữa các miếng nhôm tại nhiệt độ dưới 0,1 K. Cấu trúc này có dạng siêu dẫn/cách điện/siêu dẫn (SIS), và sự phân chia giữa hai lớp siêu dẫn này được mô tả bởi lý thuyết của Josephson (Nobel 1973). Khác với thí nghiệm Giaever Nobel 1973, thí nghiệm của Clarke, Devoret, và Martinis cho thấy dòng điện không chỉ xuyên hầm qua lớp cách điện, nó còn bị lượng tử hóa. Bằng cách chiếu vi sóng vào lớp SIS này, dòng điện xuyên hầm bị ảnh hưởng gián đoạn, theo đúng mô tả của hố thế parabol nghiêng giống như mấp mô trên một miếng bảng giặt quần áo (titled washboard potential), tiên đoán bởi Tony Leggett khi mở rộng lý thuyết của Josephson. Điểm đặc biệt nhất của thí nghiệm trên những miếng nhôm này là dòng điện xuyên hầm và bị lượng tử hóa theo hố thế parabol giam cầm chúng. Trong chất siêu dẫn, electron không chỉ kết thành cặp Cooper với hai electron theo lý thuyết BCS (Nobel 1972) – mô hình lý thuyết vi mô được ba nhà vật lý John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đưa ra vào năm 1957 để giải thích hiện tượng siêu dẫn, chúng ngưng tụ lại thành một thể duy nhất và được mô tả bằng một trạng thái lượng tử duy nhất. Trạng thái lượng tử vĩ mô này là cơ sở cho việc chế tạo chúng thành các mạch điện phức tạp hơn, hoàn toàn thiết kế theo ý muốn, trong khi vẫn thể hiện các tính chất lượng tử.
Đặt nền tảng cho máy tính lượng tử siêu dẫn
Từ những năm đầu của thập niên 1980, một ngành mới trong vật lý xuất hiện, thực hiện những nghiên cứu trên các thực thể có kích thước nằm giữa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô, gọi là “mesoscopic phyics”. Các khám phá trong phòng thí nghiệm của GS. John Clarke đặt nền móng cho các nghiên cứu về vật lý lượng tử trên mạch điện siêu dẫn, mà tới năm 2000 qubit siêu dẫn lần đầu tiên được chế tạo bởi GS. Nakamura tại Đại học Tokyo. Trong thí nghiệm này, dao động giữa hai trạng thái cơ bản và kích thích được quan sát dựa trên dòng điện xuyên hầm trên hai cấu trúc SIS nối tiếp với nhau (SISIS). Thí nghiệm Nakamura đẩy xa các nghiên cứu của Clarke với các hiện tượng lượng tử được thực hiện trên trạng thái siêu dẫn vĩ mô như dao động Rabi, vân Ramsey vốn là đặc trưng trong các thí nghiệm quang học lượng tử. Nếu thí nghiệm của Clarke, Devoret, và Martinis là thể hiện hiệu ứng xuyên hầm vĩ mô, thí nghiệm của Nakamura chứng mính tính kết hợp lượng tử vĩ mô (macroscopic quantum coherent) trên mạch điện siêu dẫn, một yêu cầu cơ bản của qubit, mà ngày nay là phần lõi của các chip tính toán lượng tử siêu dẫn.
Ngay từ những năm 1990, các mạch điện này thỏa mãn đầy đủ các tiêu chí Di Vicenzo cho qubit mà mãi về sau mới được công nhận rộng rãi. Tiêu chí quan trọng nhất là khả năng mở rộng (scalability) trong chế tạo công nghiệp. Là các miếng kim loại, mạch điện siêu dẫn hoàn toàn tương thích với các phương pháp chế tạo của công nghệ chip bán dẫn. Một ưu điểm rất lớn khác của mạch điện siêu dẫn là được điểu khiển và vận hành bởi các thiết bị điện thông dụng, vốn đã được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày. Các qubit siêu dẫn này được điều khiển ở tần số GHz, dẫn đến tốc độ tính toán tới hàng tỷ phép tính trong một giây. Không yêu cầu bảo trì và vận hành tự động, rõ ràng tính toán siêu dẫn đang là ứng cử viên hàng đầu cho một chiếc máy tính lượng tử toàn năng.
Những thành công sớm không khiến Devoret và Martinis dừng lại với các thí nghiệm xuyên hầm vĩ mô. Trên thực tế, hai nhà khoa học này là động lực chính đằng sau sự thành công của chip tính toán lượng tử siêu dẫn với nhiều đột phá quan trọng, đặc biệt trong thời kì sau năm 2000. Khi Nakamura mất tới hai năm để đo dao động lượng tử của dòng điện vĩ mô trên các lớp SIS do nhiễu và sự phức tạp của phép đo dòng điện, Devoret và Schoelkopf (Đại học Yale) phát triển một loại bit lượng tử mới với tên transmon, cách ly SIS ra khỏi môi trường và đo dao động lượng tử bằng một mạch cộng hưởng đặt gần đó. Cải tiến này với tên gọi điện động lực lượng tử trên mạch điện (circuit quantum electrodynamics) trở thành tiêu chuẩn mới trong ngành và ngay lập tức tăng thời gian sống so với thí nghiệm Nakamura tới 1000 lần. Ở phía bờ Tây, John Martinis cải tiến thiết kế transmon cho phép tùy biến về khả năng điều khiển cao hơn nữa, và đặt tên bit lượng tử mới của mình là X-mon. Hai phòng thí nghiệm của Devoret (Yale) và Martinis (UCSB) cạnh tranh như vậy trong nhiều năm, liên tục thúc đẩy các nghiên cứu về chip tính toán lượng tử siêu dẫn đạt nhiều bước tiến mới.
Nền tảng transmon do Michel Devoret và cộng sự được ứng dụng rộng rãi tại IBM với nhiều thành tựu như toàn bộ thế giới đã chứng kiến. Đội ngũ nghiên cứu sinh và postdoc từ phòng thí nghiệm tại Yale tạo thành đội ngũ cốt lõi trong các nghiên cứu lượng tử của IBM. Chỉ trong vài năm ngắn ngủi, IBM đã chế tạo thành công máy tính lượng từ 5 qubit rồi tiến dần lên tới hơn 1000 qubit vào 2024. IBM mở ra kỷ nguyên máy tính lượng tử có nhiễu cỡ vừa NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum), trực tiếp tạo ra sự ganh đua giữa các tập đoàn công nghệ và quỹ đầu tư. Một thành công gián tiếp khác của Devoret là học trò Chad Rigetti, người sáng lập kỳ lân trong lĩnh vực lượng tử, Công ty Rigetti.
Nếu các sáng tạo của Devoret nằm nhiều ở nguyên lý, nền tảng vật lý, thì Martinis là một thiên tài về kỹ thuật. Nền tảng x-mon do Martinis phát triển có qubit sống lâu, dễ điều khiển, thuận tiện chế tạo. Martinis tự thiết kế thiết bị làm lạnh pha loãng, tự thiết kế bo mạch lọc nhiễu cao tần, thậm chí tự thiết kế phần mềm điều khiển qubit. Tới năm 2014, Google mua toàn bộ nhóm nghiên cứu của Martinis và đầu tư trọng điểm để năm 2019, họ đã chứng minh sự ưu việt của tính toán lượng tử (quantum supremacy) trong một thuật toán mà tại thời điểm đó không có giải thuật cổ điển nào có thể đạt được. Từ góc nhìn kỹ thuật, chip Sycamore đã lần đầu tiên chứng minh tính toán lượng tử là khả thi ở quy mô lớn, khi hàng trăm xung vi sóng chiếu rọi trên một bo mạch lượng tử bé như đầu ngón tay, mà không phá hủy các trạng thái chồng chập hay vướng víu lượng tử.
Trong khoảng thời gian 2005-2015, hai nhóm nghiên cứu ở Yale và Santa Barbara liên tục công bố trên các tạp chí hàng đầu như Nature, Physical Review Letters. Khi Devoret đạt đột phá ở mảng này, Martinis khai thông ở lĩnh vực khác. Về tổng thể, các sáng kiến này tích luỹ lại trở thành tài sản chung của toàn bộ nhân loại. Martinis và Devoret không chỉ là các giáo sư hàng đầu, họ trực tiếp thành lập các công ty khởi nghiệp, kinh doanh các sản phẩm công nghệ cao đến từ kết quả nghiên cứu của mình. Devoret đồng sáng lập Công ty Quantum Circuit Inc tập trung chế tạo qubit siêu dẫn tự sửa lỗi, và hiện tại đang trực tiếp dẫn dắt các nghiên cứu tính toán lượng tử tại Google, tiếp nối truyền thống của Martinis. Nối tiếp sau Google, Martinis chuyển hướng sang Úc với công nghệ qubit trong silic, và hiện tại đồng sáng lập và CTO của Qolab, một công ty khởi nghiệp về máy tính lượng tử siêu dẫn với các ứng dụng thực tế.
Hành trình của John Martinis và Michel Devoret khởi động với hiệu ứng xuyên hầm vĩ mô từ phòng thí nghiệm John Clarke tại Berkeley đã trải qua một hành trình dài. Sau phòng thí nghiệm ở Berkeley, Martinis và Devoret còn làm việc gần với nhau tại CEA Saclay, nơi Devoret khai sinh ra nhóm nghiên cứu huyền thoại Quantronics, đạt nhiều kết quả quan trọng trong mesoscopy physics và vẫn đang tích cực hoạt động đến tận ngày nay. Sau khi trở thành các nhà khoa học độc lập, Martinis và Devoret như các nhánh cây phát triển từ chung một gốc, liên tục đạt những đột phá mới hoàn toàn bổ sung cho nhau, cùng nhau xây dựng mạch điện siêu dẫn lượng tử để nó trở thành một cây đại thụ trong khu vườn tính toán lượng tử. Gần như đồng thời họ công bố trên Nature, thành lập công ty khởi nghiệp, được chiêu mộ bởi các tập đoàn hàng đầu. Trong mối quan hệ thân thiết của hai nhà khoa học này, rõ ràng có một sự cạnh tranh để cùng nhau phát triển. □
————–
Một số công trình tiêu biểu:
Michel H. Devoret, John M. Martinis, Daniel Esteve, John Clarke, Resonant Activation from the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction, Physical Review Letter, 53, 1260 1984.
John M. Martinis, Michel H. Devoret, John Clarke, Energy-Level Quantization in the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction, Physical Review Letter, 55, 1543 1984.
Michel H. Devoret, John M. Martinis, John Clarke, Measurements of Macroscopic Quantum Tunneling out of the Zero-Voltage State of a Current-Biased Josephson Junction, Physical Review Letter, 55, 1908 1984.
A. O. Caldeira, A. J. Leggett, “Influence of dissipation on quantum tunneling in macroscopic systems,” Phys. Rev. Lett. 46, 211 (1981).
Y. Nakamura et al., “Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box,” Nature 398, 786 (1999).
———————-
TS. Nguyễn Quốc Hưng là Viện trưởng Viện Công nghệ lượng tử, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Bài đăng Tia Sáng số 20/2025
