Thực nghiệm đột phá về xuyên hầm lượng tử thắng giải Nobel Vật lý
John Clarke, Michel Devoret và John Martinis khám phá ra vật lý lượng tử ở cấp độ vĩ mô, tiến bước trên con đướng tới tính toán lượng tử.
Nghiên cứu này, bao gồm hiện tượng kỳ lạ xuyên hầm lượng tử và chồng chập lượng tử, dã giúp đặt nền tảng cho một số máy tính lượng tử tiên tiến nhất hiện nay.
John Clarke tại ĐH California, Berkeley, Michel Devoret tại ĐH Yale ở New Haven, Connecticut, và ĐH California, Santa Barbara (UCSB), cùng John Martinis, cũng ở USCB sẽ nhận giải thưởng trị giá 11 triệu kronor Thụy Điển (1,2 triệu USD), theo thông báo của Viện hàn lâm Hoàng gia Thụy Điển, Stockholm vào ngày 7/10.
“Tôi rất choáng váng vì tôi chưa bao giờ nghĩ mình có thể được trao giải Nobel,” Clarke, nói với báo chí. “Tôi nghĩ phát hiện của chúng tôi theo nhiều cách, đã đặt nền tảng cho tính toán lượng tử,” ông nói và cho biết thêm là dẫu ông từng hướng dẫn nghiên cứu của cả ba vào những năm 1980 thì đóng góp của hai nhà khoa học còn lại “cũng vô cùng to lớn”.
Martinis nói với Nature rằng vợ ông đã nhận được tin từ nửa đêm – giờ California – nhưng quyết định không đánh thức ông dậy. “Tôi tỉnh dậy trước sáu giờ và khi mở máy tínhra, tôi thấy ảnh của John, Michel và tôi”.
“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.
Cơ học lượng tử vĩ mô
Nền tảng của cơ học lượng tử có từ 100 năm trước. Nhưng nhiều điều kỳ lạ mà nó gợi ý thì hàng thập kỷ sau mới được khám phá.
Một trong những hiện tượng đó là xuyên hầm lượng tử – năng lực của các hạt đi thẳng qua một rào cản vốn là không thể với vật lý cổ điển, xét đến mức năng lượng của nó. Đường hầm giải thích phân rã phóng xạ, trong đó, bất chấp bị giới hạn bên trong một nguyên tử, một hạt alpha vẫn có một xác suất nhỏ thoát khỏi hạt nhân. Một hiện tượng khác là chồng chập lượng tử, trong đó một vật thể có thể tồn tại đồng thời ở hai trạng thái.
Nhưng cả xuyên hầm và chồng chập đều mới được biết ở cấp độ vi mô mà chưa thể quan sát trong các hệ vĩ mô. Trong những năm 1970, Anthony Leggett, người sau đó giành giải Nobel vật lý năm 2003 bởi công trình lý thuyết về siêu dẫn, tự hỏi liệu hiện tượng này có thể được quan sát ở cấp độ vĩ mô bằng việc sử dụng các mạch siêu dẫn không – các vòng dây, khi được làm lạnh đến một phần nhỏ hơn độ không tuyệt đối, có thể dẫn điện mà không có điện trở.
“Chúng tôi xem xét câu hỏi này rất cẩn thận –liệu các hệ lớn có tuân theo cơ học lượng tử không? Và chúng tôi nghĩ rất lung về cách chúng tôi có thể chứng minh nó”, Martinis kể lại. Trong những năm 1980, Clarke, Devoret và Martinis, tại Berkeley, cùng với những người khác đã khám phá các hiệu ứng lượng tử trong các vòng siêu dẫn. Bộ ba đã thiết lâp một thực nghiệm mà trong đó hai siêu dẫn được phân tách bằng một hàng rào mỏng là tiếp giáp Josephson. Trong trại thái này, một siêu dòng chảy có thể chảy trôi một với điện trở bằng không, giống như một dòng chảy không ma sát – nhưng cũng với điện áp bằng không, do đó không có gradient dốc xuống tạo lực đẩy cho dòng điện. Trong vật lý cổ điển, hệ thống sẽ bị kẹt lại, trừ khi có đủ năng lượng để thoát ra.
Bằng cách giám sát hệ cẩn thận và tăng dần dòng điện, Clarke, Devoret và Martinis đã chứng minh rằng toàn bộ mạch điện này có thể chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn – thông qua hiệu ứng xuyên hầm lượng tử, mà họ quan sát được bằng cách đo một xung điện áp. Yasunobu Nakamura, một nhà vật lý tại ĐH Tokyo, cho biết nhiều người vẫn ngạc nhiên khi thấy cơ học lượng tử có thể biểu hiện ở quy mô lớn như vậy.
“Họ thực sự tiên phong trong lĩnh vực này,” theo Nakamura, người vào cuối những năm 1990 trở thành nhà vật lý đầu tiên chứn minh được một bit lượng tử siêu dẫn bằng một nguyên tắc tương tự.
“Cho đến ngày nay, việc có thể quan sát các hiện tượng lượng tử trong một mạch vĩ mô ‘bẩn’ vẫn khiến tôi ngạc nhiên”, Nathalie de Leon, một nhà vật lý thực nghiệm tại ĐH Princeton ở New Jersey, cho biết. “Việc những vật thể quy mô lớn như vậy có thể vận hành theo nguyên tắc của cơ học lượng tử là điểm khởi đầu cho rất nhiều khám phá khoa học hiệu quả trong nhiều thập kỷ sau, và chúng ta hiện đang sống trong một kỷ nguyên thú vị, nơi con người đang bắt đầu chế tạo các bộ xử lý lượng tử từ các mạch siêu dẫn.”
Tính toán lượng tử
Đường hầm chuyển đổi các hiệu ứng lượng tử thành một tín hiệu cổ điển có thể đo đạc được, và có thể được sử dụng để xác định trạng thái lượng tử của một hệ thống ở quy mô vĩ mô. Nó cũng cho thấy các mạch điện, được tạo thành từ hàng nghìn tỷ electron, có thể hoạt động như một vật thể lượng tử duy nhất mà có thể điều khiển được.
Ngày nay, việc khai thác tính năng lưu trữ thông tin trong nhiều trạng thái siêu dẫn chứng tỏ hứa hẹn như một nền tảng tạo ra các máy tính lượng tử, vốn có thể một ngày nào đó thực hiện được các tính toán khó. Cả Martinis và Devoret, hiện làm việc cho Google, đều tiên phong trong lĩnh vực máy tính lượng tử sử dụng qubit siêu dẫn.
Giải thưởng này ghi nhận một khám phá cơ bản, nhưng việc ứng dụng hiệu ứng này vào tính toán lượng tử cũng mang lại tiềm năng thực tiễn, theo Laurens Molenkamp, nhà vật lý thực nghiệm tại ĐH Würzburg, Đức. Mặc dù máy tính lượng tử chưa phải là một công nghệ hoàn thiện, nhưng “các thiết bị siêu dẫn có lẽ là công nghệ lớn nhất và gần gũi nhất với ứng dụng”, ông nói. “Nhưng những nỗ lực cuối cùng vẫn chưa đến”.
Martinis cho biết, ông rất vui mừng trước sự chú ý mà giải thưởng đã thu hút được. “Phần thưởng thực sự là viết một bài báo được nhiều người đọc và tham khảo — và thậm chí còn tuyệt vời hơn, nó đã tạo ra nỗ lực khoa học lớn này với hàng ngàn người đang nghiên cứu về bit lượng tử”.
Anh Vũ dịch từ Nature
Nguồn: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-03194-2
