Giải thưởng Đột phá năm 2024 của Physics World

Hai nhóm nghiên cứu được trao giải thưởng Đột phá năm 2024 của Physics World đều có những bước tiến đáng kể khiến máy tính lượng tử có nhiều khả năng trở thành những cỗ máy có thể giải quyết các vấn đề thực tế trong môi trường có nhiễu vừa phải.

Giải thưởng Đột phá năm 2024 của Physics World đã được trao cho hai nhóm nghiên cứu: i) Nhóm của Mikhail Lukin, Dolev Bluvstein và các đồng nghiệp tại Đại học Harvard, Viện Công nghệ Massachusetts và QuEra Computing (một công ty điện toán lượng tử chuyên phát triển máy tính lượng tử sử dụng các nguyên tử trung tính và phần mềm để mô phỏng các hệ thống nguyên tử Rydberg và tìm giải pháp cho các vấn đề Tối ưu hóa tổ hợp) vì đã chứng minh được khả năng sửa lỗi lượng tử trên bộ xử lý nguyên tử có 48 qubit logic và ii) Nhóm của Hartmut Neven và các đồng nghiệp tại Google Quantum AI cùng các cộng sự vì đã triển khai khả năng sửa lỗi lượng tử dưới ngưỡng mã bề mặt trong chip siêu dẫn. Sự phát sinh lỗi do tương tác với môi trường xung quanh – còn gọi là nhiễu – là điểm yếu như “gót chân Achilles” của mọi máy tính lượng tử và việc sửa các lỗi như vậy là một “thách thức” lớn đối với công nghệ tính toán lượng tử.

Hai nhóm nghiên cứu nói trên làm việc với các hệ lượng tử rất khác nhau nhưng đều đã có những bước tiến đáng kể để vượt qua thách thức đó. Với những tiến bộ trong sửa lỗi lượng tử đã đạt được, họ đã khiến máy tính lượng tử có nhiều khả năng trở thành những cỗ máy có thể giải quyết các vấn đề thực tế trong môi trường có nhiễu vừa phải.

Sửa lỗi lượng tử hoạt động bằng cách mã hóa một bit thông tin lượng tử (qubit) vào một qubit logic: mỗi qubit logic là một trạng thái rối lượng tử của nhiều qubit vật lý; các qubit vật lý có thể là các mạch siêu dẫn (superconducting circuits) hoặc các nguyên tử bị bẫy bắt (trapped atoms) v.v. Mặc dù mỗi qubit vật lý đều chịu lỗi, nhưng vì chúng bị rối với nhau nên dựa trên kết quả của các phép đo lượng tử trên tất cả các qubit vật lý trừ một qubit có thể xác định được loại lỗi của qubit vật lý không bị đo và do đó sửa được lỗi đã xẩy ra với qubit vật lý đó, nghĩa là bảo toàn được trạng thái lượng tử của qubit vật lý đó như thể nó không hề bị lỗi, ít nhất là trong một khoảng thời gian đủ lâu để thực hiện một phép tính.

Nhiệm vụ vô cùng khó khăn

Việc sửa lỗi lượng tử hẳn sẽ trở nên hiệu quả hơn khi số qubit vật lý trong một qubit logic tăng lên. Tuy nhiên, việc tích hợp một số lượng lớn qubit vật lý để tạo ra một bộ xử lý có nhiều qubit logic là một nhiệm vụ vô cùng khó khăn. Hơn nữa, việc thêm nhiều qubit vật lý vào một qubit logic cũng phát sinh nhiều lỗi hơn – và hiện vẫn không rõ liệu việc làm cho các qubit logic lớn hơn (tức là chứa nhiều qubit vật lý hơn) có khiến chúng tốt hơn đáng kể hay không. Những người đoạt Giải thưởng Đột phá năm 2024 của Physics World đã đạt được tiến bộ trọng đại trong việc giải quyết các vấn đề nêu trên.

Nhóm do Lukin và Bluvstein lãnh đạo đã tạo ra một bộ xử lý lượng tử với 48 qubit logic có thể thực thi các thuật toán đồng thời với sửa lỗi theo thời gian thực. Phần quan trọng nhất của bộ xử lý của nhóm này là các mảng nguyên tử trung tính (neutral atoms). Chúng là các lưới nguyên tử rubidi siêu lạnh bị bẫy bắt (trapped) bởi các nhíp quang học (optical tweezers). Các nguyên tử này có thể được chuẩn bị ở các trạng thái kích thích cao, cho phép chúng hoạt động như các qubit vật lý để trao đổi thông tin lượng tử.

Hơn thế, các nguyên tử có thể di chuyển được trong mỗi mảng để làm rối chúng với các nguyên tử khác. Theo Bluvstein, việc di chuyển các nhóm nguyên tử trong bộ xử lý là rất quan trọng đối với thành công của họ trong việc giải quyết một thách thức lớn khi sử dụng các qubit logic — đó là làm cho các qubit logic tương tác với nhau theo cách mong muốn để thực hiện các phép biến đổi lượng tử (quantum operations). Bluvstein mô tả hệ các qubit logic của họ như một “sinh vật sống có thể biến đổi trạng thái trong quá trình tính toán”. 

Bộ xử lý của nhóm Lukin và Bluvstein đã sử dụng khoảng 300 qubit vật lý để tạo ra tới 48 qubit logic nhằm thực hiện các phép toán logic. Ngược lại, những nỗ lực tương tự sử dụng qubit siêu dẫn hoặc qubit ion bị bẫy chỉ có thể thực hiện các phép toán logic với 1–3 qubit logic mà thôi.

Bộ xử lý lượng tử Willow

Nhóm thứ hai cùng được Giải thưởng Đột phá năm 2024 của Physics World do Hartmut Neven dẫn đầu đã đạt được tiến bộ đáng kể về cách kết hợp các qubit vật lý để tạo ra một qubit logic. Bộ xử lý lượng tử mới của Google, có tên là bộ xử lý Willow, cho phép kết hợp tới 105 qubit vật lý siêu dẫn thành một qubit logic.  Sử dụng bộ xử lý lượng tử mới này nhóm của Neven đã chỉ ra rằng lỗi trong qubit logic của họ vẫn ở dưới ngưỡng tối đa khi số lượng qubit tăng lên, có nghĩa là tỷ lệ lỗi logic giảm theo cấp số nhân khi số qubit vật lý trên mỗi qubit logic tăng lên.

Neven nói với Physics World rằng bộ xử lý lượng tử Willow của họ là “nguyên mẫu thuyết phục nhất của qubit logic được chế tạo hiện nay”. Ông cho biết Google đang trên đường phát triển bộ xử lý lượng tử với 100 hoặc thậm chí 1000 qubit logic vào năm 2030. Ông nói thêm rằng một thiết bị với 1000 qubit logic có thể thực hiện các phép tính hữu ích để phát triển các loại thuốc mới hoặc vật liệu mới cho pin.

Hiện nay nhóm Bluvstein và Lukin đang khám phá cách bộ xử lý của họ có thể được sử dụng để nghiên cứu một hiệu ứng gọi là xáo trộn lượng tử (quantum scrambling). Điều này có thể làm sáng tỏ các đặc tính của lỗ đen và thậm chí cung cấp những manh mối quan trọng về bản chất của lực hấp dẫn lượng tử.

Hàng năm Ban biên tập của Physics World chọn ra một vài thành tựu khoa học nổi bật để trao Giải thưởng Đột phá của năm. Họ xem lại tất cả các khám phá khoa học đã được đưa tin trên Physics World trong năm, kể từ ngày 1 tháng 1 của năm, và chọn ra những khám phá quan trọng nhất. Ngoài việc phải được báo cáo trên Physics World trong năm, các thành tựu được trao giải đột phá phải đáp ứng các tiêu chí sau:

– Có tiến bộ đáng kể về tri thức

– Có tầm quan trọng đối với tiến bộ khoa học và/hoặc phát triển các ứng dụng trong thế giới thực

– Đáp ứng mối quan tâm chung của các độc giả của Physics World

Năm nay, như mọi năm, trước khi chọn ra người chiến thắng, Ban biên tập đã công bố công khai trên Physics World một danh sách rút gọn gồm 10 đột phá hàng đầu của năm 2024. Ngoài đột phá nổi trội nhất đã nêu trên, chín đột phá khác được liệt kê dưới đây (không theo thứ tự cụ thể nào).

1. Thuốc nhuộm hấp thụ ánh sáng làm cho da chuột sống trở nên trong suốt

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford (Mỹ) đã phát triển một phương pháp làm cho da của chuột sống trở nên trong suốt. Một trong những thách thức của việc chụp ảnh mô sinh học bằng kỹ thuật quang học là mô tán xạ ánh sáng, khiến nó trở nên mờ đục.

Nhóm nghiên cứu do Zihao Ou (hiện đang làm việc tại Đại học Texas ở Dallas, Mỹ), Mark Brongersma và Guosong Hong lãnh đạo đã phát hiện ra rằng thuốc nhuộm thực phẩm màu vàng phổ biến tartrazine hấp thụ mạnh tia cực tím và ánh sáng xanh lam nên có thể làm cho mô sinh học trở nên trong suốt. Việc bôi thuốc nhuộm này lên bụng, da đầu và chân sau của chuột sống giúp các nhà nghiên cứu có thể nhìn thấy các cơ quan nội tạng (chẳng hạn như gan, ruột non và bàng quang) qua da mà không cần phẫu thuật. Các nhà nghiên cứu cũng có thể nhìn được lưu lượng máu trong não của loài gặm nhấm và cấu trúc tinh vi của các sợi cơ vân ở chân sau của chúng. Hiệu ứng này có thể được đảo ngược ( tức là làm cho da chuột trở lại như ban đầu) chỉ bằng cách rửa sạch thuốc nhuộm.

Kỹ thuật “làm sạch quang học” như này cho đến nay chỉ được thực hiện trên động vật. Nhưng nếu mở rộng được sang cho người, nó có thể giúp tránh được việc sử dụng một số loại sinh thiết xâm lấn (invasive biopsies).

2. Làm mát positronium bằng laser

Nhóm cộng tác AEgIS (Antihydrogen Experi-ment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) tại CERN và Kosuke Yoshioka cùng các đồng nghiệp tại Đại học Tokyo, một cách độc lập, đã thực nghiệm thành công cách làm mát positronium bằng laser. Positronium — trạng thái liên kết tựa nguyên tử của một electron và một positron – được tạo ra trong phòng thí nghiệm nhằm giúp các nhà vật lý nghiên cứu về phản vật chất (antimatter). Hiện tại, positronium được tạo ra trong các đám mây “ấm” (“warm” clouds) trong đó các nguyên tử có sự phân bố vận tốc trải rộng, khiến việc xác định quang phổ chính xác trở nên khó khăn. Làm mát positronium xuống nhiệt độ thấp có thể mở ra những cách mới để nghiên cứu các tính chất của phản vật chất. Nó cũng cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra nhiều phản hydro (antihydrogen) hơn từ một đến hai cấp độ – một phản nguyên tử (antiatom) gồm một positron và một phản proton (antiproton) là cái mà các nhà vật lý rất quan tâm.

Nghiên cứu này cũng mở đường cho việc sử dụng positronium để kiểm tra các khía cạnh của Mô hình chuẩn (Standard Model) về vật lý hạt cơ bản, chẳng hạn như vai trò của điện động lực học lượng tử trong dự đoán các vạch quang phổ cụ thể và việc thăm dò các tác động của lực hấp dẫn lên phản vật chất.

3. Mô hình hóa tế bào phổi để cá nhân hóa xạ trị

Nhóm của Roman Bauer từ Đại học Surrey (Anh), Marco Durante từ Trung tâm nghiên cứu ion nặng Helmholtz (Đức) và Nicolò Cogno từ trung tâm trên và Bệnh viện đa khoa Massachu-setts/Trường Y Harvard (Mỹ) đã tạo ra một mô hình tính toán có thể cải thiện kết quả xạ trị cho bệnh nhân ung thư phổi. Xạ trị là phương pháp điều trị hiệu quả cho bệnh ung thư phổi nhưng có thể gây hại cho những mô đang khỏe mạnh. Để giảm thiểu tổn thương do bức xạ và giúp cá nhân hóa phương pháp điều trị, nhóm này đã kết hợp mô hình mô phổi với máy mô phỏng MonteCarlo để mô phỏng quá trình chiếu xạ phế nang (các túi khí nhỏ trong phổi) ở quy mô cực nhỏ với kích thước cỡ micromet và nanomet. Dựa trên liều bức xạ truyền đến từng tế bào và sự phân bố của nó, mô hình có thể dự đoán liệu mỗi tế bào sẽ sống hay chết và xác định mức độ nghiêm trọng của tổn thương do đã chịu bức xạ sau nhiều giờ, nhiều ngày, nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm của quá trình điều trị.

Điều quan trọng là nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng mô hình của họ cho kết quả phù hợp với các quan sát thực nghiệm từ nhiều phòng thí nghiệm và bệnh viện khác nhau. Điều đó cho thấy, về nguyên tắc, mô hình này có thể được sử dụng trong môi trường lâm sàng.

4. Một chất bán dẫn và một công tắc mới làm từ graphene

Ba nhóm, gồm nhóm của Walter de Heer, Lei Ma và các đồng nghiệp từ Đại học Thiên Tân và Viện Công nghệ Georgia, nhóm của Marcelo Lozada-Hidalgo từ Đại học Manchester và một nhóm đa quốc gia khác, đã tạo ra một chất bán dẫn chức năng từ graphene và sử dụng graphene để thiết kế một công tắc hỗ trợ được cả chức năng nhớ và chức năng logic. Thành tựu của nhóm từ Đại học Manchester là khả năng chế ngự được cả proton và electron của graphene trong một thiết bị trong đó các phép toán logic được thực hiện bằng dòng proton và đồng thời với điều đó một bit của bộ nhớ được mã hóa bằng dòng electron. Hai chức năng nói trên thường được thực hiện bởi các thành phần mạch riêng biệt, làm tăng thời gian truyền dữ liệu và mức tiêu thụ điện năng. Trong khi đó, de Heer, Ma và các đồng nghiệp đã thiết kế một dạng graphene không dẫn điện kiểu như vậy.

Dạng graphene mới của họ được gọi là “Epigraphene” — chất bán dẫn hai chiều có những tính chất tuyệt vời có thể mở ra kỷ nguyên mới trong ngành điện tử — Epigraphene có một vùng cấm (bandgap) giống như trong silicon, có thể cho phép dùng nó để chế tạo thành bóng bán dẫn, nhưng lại có các tính chất thuận lợi mà silicon không có, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt cao.

5. Phát hiện sự phân rã của từng hạt nhân

David Moore, Jiaxiang Wang và các đồng nghiệp từ Đại học Yale (Mỹ) đã phát hiện ra sự phân rã hạt nhân của từng hạt nhân heli bằng cách nhúng các nguyên tử chì-212 vào một quả cầu silica có kích thước micron và đo độ giật lùi của quả cầu khi các hạt nhân thoát ra khỏi nó. Kỹ thuật của họ dựa trên sự bảo toàn động lượng và có thể đo được các lực nhỏ tới 10-20 N và gia tốc nhỏ tới 10-7 g, trong đó g là gia tốc cục bộ do lực hấp dẫn của Trái đất.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng một ngày nào đó, một kỹ thuật tương tự có thể được sử dụng để phát hiện ra neutrino, loại hạt này có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với hạt nhân heli nhưng cũng được phát ra theo kiểu tương tự dưới dạng sản phẩm phân rã trong một số phản ứng hạt nhân.

6. Lần đầu tiên thống nhất được hai cách mô tả riêng biệt về hạt nhân

Andrew Denniston từ Viện Công nghệ Massa-chusetts (Mỹ), Tomáš Ježo từ Đại học Münster (Đức) và một nhóm quốc tế khác đã lần đầu tiên thống nhất được hai cách mô tả riêng biệt về hạt nhân nguyên tử. Họ đã kết hợp quan điểm vật lý hạt – trong đó hạt nhân bao gồm quark và gluon – với quan điểm vật lý hạt nhân truyền thống coi hạt nhân là tập hợp của các nucleon (proton và neutron) tương tác. Những người này đã cung cấp những hiểu biết mới về các cặp nucleon tương quan tầm ngắn – là những tương tác thoáng qua khi hai nucleon đến rất gần nhau và tham gia vào các tương tác mạnh chỉ trong vài femto giây. Sự thống nhất này đã được kiểm chứng và tinh chỉnh bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm từ các thí nghiệm tán xạ liên quan đến 19 hạt nhân khác nhau với khối lượng rất khác nhau (từ heli-3 đến chì-208).

Đột phá này cho thấy một bước tiến lớn trong sự hiểu biết về cấu trúc hạt nhân và các tương tác mạnh.

7. Tia laser titan:sapphire mới nhỏ xíu, giá thành thấp và có thể điều chỉnh

Jelena Vučković, Joshua Yang, Kasper Van Gasse, Daniil Lukin và các đồng nghiệp từ Đại học Stanford (Mỹ) đã phát triển một tia laser titan:sapphire tích hợp, nhỏ xíu chỉ cần một đèn LED xanh đơn giản làm nguồn bơm. Chi phí và diện tích chiếm dụng của tia laser này giảm ba bậc về độ lớn và hai bậc về điện năng tiêu thụ. Tia laser titan:sapphire truyền thống phải được bơm bằng các laser công suất cao – và do đó giá thành vượt quá 100.000 US$. Trong khi đó loại laser mới này có thể bơm bằng một laser diode xanh với giá chỉ là 37 US$. Nhóm nghiên cứu cũng đã đạt được hai điều mà trước đây không thể thực hiện được với laser titan:sapphire. Đó là họ có thể điều chỉnh bước sóng của tia sáng và tạo ra bộ khuếch đại tia laser.

Thiết bị mới này là một bước tiến quan trọng hướng tới việc đại chúng hóa chủng loại tia laser – là điều có vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp.

8. Các photon rối che giấu và tăng cường hình ảnh

Hai nhóm liên quan đã khéo léo sử dụng các photon rối trong việc chụp ảnh. Cả hai nhóm đều có Chloé Vernière và Hugo Defienne của Đại học Sorbonne (Pháp) tham gia. Họ đã sử dụng rối lượng tử để mã hóa hình ảnh thành một chùm ánh sáng. Điều ấn tượng là hình ảnh đó được ẩn đi và chỉ có thể nhìn thấy được đối với người quan sát sử dụng máy ảnh nhạy cảm đơn photon (single-photon sensitive camera) – tức là hình ảnh sẽ bị “giấu” khỏi tầm nhìn nếu máy ảnh không nhạy cảm với một photon. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tạo ra các hệ thống quang học có độ nhạy thấp hơn đối với sự tán xạ, điều có thể hữu ích để chụp ảnh các mô sinh học và truyền thông quang học tầm xa.

Trong một nghiên cứu riêng biệt, Vernière và Defienne đã hợp tác với Patrick Cameron từ Đại học Glasgow (Anh) và những người khác nhằm sử dụng các photon rối để làm rõ hơn hình ảnh quang học thích ứng. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật của họ có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao hơn so với kính hiển vi trường sáng thông thường.

Trong tương lai, kỹ thuật quang học thích ứng này có thể đóng vai trò chính trong sự phát triển của kính hiển vi lượng tử.

9. Những mẫu vật đầu tiên được đưa về từ mặt xa của Mặt Trăng

Cơ quan Quản lý Vũ trụ Quốc gia Trung Quốc lần đầu tiên thu thập được vật liệu từ mặt xa của Mặt Trăng, khẳng định Trung Quốc là một trong những quốc gia hàng đầu thế giới về vũ trụ. Hạ cánh xuống mặt xa của Mặt Trăng – nơi luôn không hướng về phía Trái Đất – là rất khó khăn do khoảng cách và địa hình có các hố khổng lồ với rất ít bề mặt phẳng. Đồng thời, các nhà khoa học đang quan tâm đến mặt xa của Mặt trăng nơi chưa tùng được khám phá trước đây và chưa hiểu lý do tại sao mặt xa của Mặt Trăng trông rất khác so với mặt gần của nó.

Sứ mệnh Chang’e-6 (là sứ mệnh thứ năm mà Trung Quốc đã phóng lên Mặt Trăng kể từ năm 2018, và là một phần trong nỗ lực mở rộng của quốc gia này nhằm đưa các phi hành gia Trung Quốc lên Mặt Trăng vào năm 2030) được phóng vào 3/5/2024 bao gồm bốn phần: một tàu đẩy bay lên, một tàu đổ bộ, một tàu trở về và một tàu bay quanh quỹ đạo. Tàu đẩy bay lên và tàu đổ bộ đã hạ cánh thành công vào 1/6/2024 tại lưu vực Apollo, nằm ở phía đông bắc của lưu vực Nam Cực-Aitken. Tàu đổ bộ sử dụng gầu xúc và máy khoan tự động để thu thập khoảng 1,9 kg vật liệu trong vòng 48 giờ. Sau đó, tàu đẩy bay lên cất cánh từ đỉnh của tàu đổ bộ và ghép nối với tàu quay trở về để trở lại quỹ đạo trước khi đáp xuống Trái Đất tại Nội Mông vào 25/6/2024.

Vào tháng 11/2024, Trung Quốc đã công bố kết quả đầu tiên, phát hiện ra rằng các mảnh vỡ của bazan – một loại đá núi lửa – có niên đại từ 2,8 tỷ năm trước, điều cho thấy trên mặt xa của Mặt Trăng đã có hoạt động núi lửa vào thời điểm đó. Những khám phá khoa học tiếp theo có thể sẽ có trong tương lai gần khi các mảnh vỡ được phân tích thêm.

Nguồn: Tạp chí Vật lý ngày nay