Thầy trò John Clarke - John M. Martinis và hành trình chạm tới giải Nobel Vật lý 2025

Họ là những người đã cùng nhau chứng minh rằng những hiện tượng lượng tử vốn được xem là chỉ tồn tại ở cấp độ nguyên tử, thực ra có thể biểu hiện trong những hệ thống “vĩ mô”, có thể nhìn thấy và điều khiển bằng tay người.

Nhóm của thầy John Clarke được tôn vinh

Trong thí nghiệm kinh điển vào giữa thập niên 1980, bộ ba đã sử dụng các mạch điện siêu dẫn - trong đó có các nút Josephson (Josephson junctions) - được làm lạnh gần độ không tuyệt đối. Họ phát hiện ra rằng các mạch này có thể xuyên hầm lượng tử và thể hiện các mức năng lượng được lượng tử hóa giống như nguyên tử. Đó là bằng chứng đầu tiên cho thấy một hệ điện tử ở quy mô kỹ thuật vẫn tuân theo quy luật lượng tử, mở đường cho điện động lực học lượng tử mạch (circuit QED) và xa hơn, cho máy tính lượng tử siêu dẫn ngày nay.

Công trình ấy không chỉ giải một bài toán khoa học tưởng chừng thuần túy, mà còn khai mở một kỷ nguyên mới, nơi những hiện tượng lượng tử không còn là khái niệm trừu tượng trong phòng thí nghiệm hạt nhân, mà trở thành nền tảng công nghệ của thế kỷ 21 - từ cảm biến y học siêu nhạy đến bộ xử lý lượng tử đang làm thay đổi cả nền công nghiệp điện toán.

John Clarke - người thầy gieo hạt giống lượng tử

Sinh năm 1942 tại Cambridge (Anh), John Clarke sớm bộc lộ niềm say mê vật lý. Ông theo học Trường Perse, rồi vào Christ’s College, Đại học Cambridge, nơi ông tốt nghiệp Cử nhân Vật lý năm 1964. Không dừng lại ở đó, Clarke theo học tiến sĩ tại Royal Society Mond Laboratory, dưới sự hướng dẫn của Brian Pippard, người thầy lỗi lạc từng dìu dắt cả Brian Josephson, chủ nhân Giải Nobel 1973.

Thầy John Clark nhận niềm vui khi 83 tuổi

Khi làm nghiên cứu sinh, Clarke đã tự thiết kế một vôn kế siêu nhạy, sau này được gọi là SLUG (Superconducting Low-inductance Undulatory Galvanometer). Chính trong giai đoạn ấy, ông chịu ảnh hưởng sâu sắc từ hiệu ứng Josephson - dự đoán năm 1962, và cảm thấy bị cuốn hút bởi ý tưởng rằng các hiện tượng lượng tử có thể được mở rộng ra ngoài thế giới vi mô.

Năm 1968, ông bảo vệ thành công luận án tiến sĩ, rồi nhận học bổng nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley. Từ đây, Clarke gắn bó cả đời với Berkeley, nơi ông thăng tiến qua các bậc Trợ lý giáo sư (1969), Phó giáo sư (1971) và Giáo sư Vật lý (1973 - 2010). Cùng thời gian, ông làm việc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, góp phần phát triển các thiết bị siêu dẫn phục vụ nghiên cứu quốc phòng, y học và khoa học cơ bản.

Trong hơn bốn thập niên giảng dạy, Clarke không chỉ là nhà khoa học xuất sắc mà còn là người thầy tận tụy. Ông từng nhận Distinguished Teaching Award của Đại học California vì những cống hiến cho giáo dục và khả năng truyền cảm hứng cho sinh viên. Dưới sự dẫn dắt của ông, nhiều học trò đã trưởng thành, trở thành những tên tuổi lớn trong vật lý hiện đại – tiêu biểu nhất là John M. Martinis, học trò tiến sĩ và Michel Devoret, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ người Pháp từng làm việc trong phòng thí nghiệm của ông đầu thập niên 1980.

Clarke từng nói rằng điều khiến ông hạnh phúc nhất không phải là công trình đoạt giải, mà là “những người học trò đã đi xa hơn cả thầy”. Với ông, khoa học là cuộc đối thoại giữa các thế hệ, nơi tri thức được trao truyền, biến đổi, rồi nở hoa.

John M. Martinis - từ học trò Clarke đến nhà tiên phong lượng tử

John Matthew Martinis, sinh năm 1958 tại California, bước vào Đại học California Berkeley để học vật lý, lấy bằng Cử nhân năm 1980. Say mê các hiện tượng siêu dẫn, ông quyết định ở lại Berkeley học tiến sĩ dưới sự hướng dẫn của John Clarke.

Trong luận án của mình, Martinis nghiên cứu biến thiên pha trong nút Josephson, một cấu trúc siêu dẫn đặc biệt giữa hai lớp kim loại, có khả năng thể hiện hành vi lượng tử khi ở nhiệt độ cực thấp. Cùng với Devoret, lúc đó là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, Martinis tham gia nhóm của Clarke để thực hiện thí nghiệm lịch sử năm 1985. Họ đã chứng minh rằng một mạch điện - vật thể mà con người có thể chế tạo bằng tay - cũng có thể “xuyên qua rào thế năng lượng” như electron trong nguyên tử.

Sau khi hoàn thành tiến sĩ, Martinis tiếp tục nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA - Saclay, Pháp) rồi tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST, Mỹ), nơi ông phát triển các cảm biến SQUID và bộ khuếch đại siêu dẫn. Năm 2004, ông trở thành Giáo sư tại Đại học California Santa Barbara (UCSB), tiếp tục phát triển các qubit siêu dẫn, đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử.

Từ năm 2014, Martinis dẫn dắt nhóm nghiên cứu của Google Quantum AI, nơi ông và các cộng sự phát triển bộ xử lý lượng tử 53 qubit và công bố mốc “ưu thế lượng tử (quantum supremacy)” năm 2019. Dù công trình này đến sau nhiều thập kỷ kể từ thời Clarke, Martinis luôn nhấn mạnh rằng “mọi thứ bắt đầu từ phòng thí nghiệm nhỏ ở Berkeley, nơi chúng tôi lần đầu nhìn thấy vật chất vĩ mô hành xử như một hạt lượng tử”.

Trò John Martinis giờ đã 67 tuổi

Cùng lúc, Michel Devoret, người đồng hành với Clarke và Martinis, trở về Pháp, rồi sang Mỹ công tác tại Yale University, trở thành một trong những chuyên gia hàng đầu về điện tử lượng tử và siêu dẫn. Cả ba, từ thầy đến trò, tiếp tục cộng tác, chia sẻ tri thức và đến năm 2025 cùng nhau được vinh danh với Giải Nobel Vật lý cho công trình mở ra cánh cửa giữa thế giới cổ điển và thế giới lượng tử.

Sợi dây nối giữa thầy và trò trong hành trình khoa học

Câu chuyện về Clarke và Martinis là minh chứng cho một chân lý bền vững trong khoa học: một người thầy giỏi không chỉ truyền dạy tri thức, mà còn khơi dậy ngọn lửa khám phá trong học trò. Clarke không áp đặt khuôn mẫu, ông khuyến khích sinh viên của mình tự đặt câu hỏi, tự thiết kế thí nghiệm và dám hoài nghi cả những gì được coi là chân lý. Chính tinh thần ấy đã khiến Martinis và Devoret có đủ tự tin để chạm tới những giới hạn của cơ học lượng tử.

Ngược lại, trong hành trình nghiên cứu, người học trò cũng là cộng sự đắc lực của thầy. Chính Martinis, với đôi tay khéo léo và óc sáng tạo của một kỹ sư - là người hiện thực hóa nhiều ý tưởng của Clarke trong phòng thí nghiệm. Devoret, với nền tảng lý thuyết vững chắc, bổ sung mảnh ghép còn thiếu cho nhóm. Cả ba người, nhờ tin tưởng lẫn nhau, đã biến những thí nghiệm tưởng như viễn vông thành hiện thực và ba mươi năm sau, nhận sự công nhận cao nhất mà khoa học dành tặng.

Giờ đây, khi nhắc đến Giải Nobel Vật lý 2025, người ta không chỉ nhắc đến một khám phá khoa học, mà còn nhắc đến một biểu tượng đẹp của mối quan hệ thầy - trò trong khoa học. Clarke, người gieo mầm; Martinis và Devoret, những người vun trồng và ra hoa kết trái, họ đã cùng nhau chứng minh rằng tri thức không có biên giới và rằng trong thế giới lượng tử, cũng như trong cuộc đời con người, mọi kết nối đều có thể tạo nên điều kỳ diệu.

Bùi Tú