Giải Nobel vật lý 2025 trao cho công trình nghiên cứu về cơ học lượng tử

3 nhà khoa học John Clarke, Michel H Devoret và John M. Martinis được vinh danh Nobel Vật lý 2025. Ảnh: TT News Agency/Christine Olsson/Reuters

Thông cáo báo chí của Ủy ban trao giải Nobel công bố những người chiến thắng là John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis cho việc “khám phá ra hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện”.

Lâu nay, có một câu hỏi lớn trong vật lý là kích thước tối đa của một hệ thống có thể chứng minh các hiệu ứng cơ học lượng tử.

Những người đoạt giải Nobel năm nay đã tiến hành các thí nghiệm với một mạch điện, trong đó họ đã chứng minh được cả hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử và các mức năng lượng lượng tử trong một hệ thống đủ lớn có thể cầm trên tay. Cơ học lượng tử cho phép một hạt di chuyển thẳng qua một rào cản, sử dụng một quá trình gọi là hiệu ứng đường hầm. Ngay khi có một số lượng lớn các hạt tham gia, các hiệu ứng cơ học lượng tử thường trở nên không đáng kể.

Các thí nghiệm của 3 nhà khoa học nêu trên đã “chứng minh rằng các tính chất cơ học lượng tử có thể được cụ thể hóa ở quy mô vĩ mô”.

Thông cáo của Ủy ban Nobel giải thích chi tiết quá trình nghiên cứu của ba nhà khoa học. Vào năm 1984 và 1985, John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis đã tiến hành một loạt thí nghiệm với một mạch điện tử được chế tạo từ các chất siêu dẫn, các linh kiện có thể dẫn dòng điện mà không có điện trở.

Trong mạch, các linh kiện siêu dẫn được ngăn cách bởi một lớp vật liệu mỏng không dẫn điện, một cấu trúc được gọi là tiếp giáp Josephson. Bằng cách tinh chỉnh và đo lường tất cả các tính chất khác nhau của mạch, họ có thể kiểm soát và khám phá các hiện tượng phát sinh khi cho dòng điện chạy qua nó. Cùng nhau, các hạt tích điện chuyển động qua chất siêu dẫn tạo thành một hệ thống hoạt động như thể chúng là một hạt duy nhất lấp đầy toàn bộ mạch điện.

Hệ thống hạt vĩ mô này ban đầu ở trạng thái dòng điện chạy qua mà không có điện áp. Hệ thống bị mắc kẹt trong trạng thái này, như bị một rào cản chặn lại khiến nó không thể vượt qua. Trong thí nghiệm, hệ thống thể hiện tính chất lượng tử của nó bằng cách thoát khỏi trạng thái điện áp bằng không thông qua hiệu ứng đường hầm. Trạng thái thay đổi của hệ thống được phát hiện thông qua sự xuất hiện của điện áp.

Khi ném một trái banh vào một bức tường thông thường nó sẽ nẩy bật trở lại phía người ném. Nhưng bạn sẽ rất ngạc nhiên nếu bỗng dưng trái banh lại xuất hiện phía bên kia bức tường. Trong cơ học lượng tử, đậy là hiện tượng có tên gọi là “đường hầm”. Một hiện tượng kỳ lạ và khó hiểu.

Các nhà vật lý đã biết trong gần một thế kỷ qua rằng hiệu ứng đường hầm cần thiết cho một loại phân rã hạt nhân đặc biệt (phân rã Alpha). Một mảnh nhỏ của hạt nhân nguyên tử thoát ra và xuất hiện bên ngoài nó.

Những nhà khoa học được vinh danh cũng chứng minh rằng hệ thống này hoạt động theo cách được dự đoán bởi cơ học lượng tử - nó được lượng tử hóa, nghĩa là nó chỉ hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng nhất định, cụ thể.

Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý Olle Eriksson nhận định: “Thật tuyệt vời khi có thể tôn vinh cách cơ học lượng tử tồn tại hàng thế kỷ liên tục mang đến những bất ngờ mới. Nó cũng vô cùng hữu ích, vì cơ học lượng tử là nền tảng của mọi công nghệ số.”

Các bóng bán dẫn trong vi mạch máy tính là một ví dụ về công nghệ lượng tử đã được thiết lập xung quanh chúng ta. Giải Nobel Vật lý năm nay mang đến cơ hội để phát triển thế hệ công nghệ lượng tử tiếp theo, trong đó có mật mã lượng tử, máy tính lượng tử và cảm biến lượng tử.

Năm ngoái, giải Nobel vật lý được trao cho nhà vật lý John Hopfield và nhà khoa học máy tính Geoffrey Hinton, được coi là một trong những cha đẻ của trí tuệ nhân tạo (AI). Những khám phá của họ vào những năm 1980 cho phép máy học sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo và mở đường cho những đột phá hiện đại trong ngành công nghiệp AI hiện nay.

Từ năm 1901 đến năm 2024, đã có 118 giải Nobel Vật lý được trao. Năm trong số 227 người đoạt giải Vật lý là phụ nữ, bao gồm Marie Curie vào năm 1903.

Lan Chi (Theo Nobel Prize Org)