Giải Nobel Vật lý năm 2025
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis đã hiện thực hóa các hiện tượng lượng tử vốn theo truyền thống chỉ có thể xảy ra ở cấp độ vi mô trong những hệ thống đủ lớn để có thể cầm trên tay
- Họ trực tiếp chứng minh đường hầm lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong các hệ gồm nhiều hạt thông qua mạch điện siêu dẫn
- Trong thí nghiệm, hệ thống thay đổi trạng thái nhờ hiện tượng đường hầm, đồng thời chỉ hấp thụ hoặc phát ra năng lượng theo những mức xác định
- Nghiên cứu này mang lại hiểu biết sâu sắc về các hiệu ứng lượng tử có thể quan sát được ở quy mô vĩ mô cùng ý nghĩa lý thuyết và thực nghiệm của chúng
- Thành tựu này là bằng chứng thực nghiệm quan trọng làm nền tảng cho sự phát triển của công nghệ lượng tử và hiện thực hóa máy tính lượng tử
Quan sát tính chất lượng tử ở quy mô con người
Những người đoạt Giải Nobel Vật lý 2025 là John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng những hiện tượng kỳ lạ của thế giới lượng tử cũng xuất hiện trong các hệ thống đủ lớn để có thể cầm trên tay. Các mạch điện siêu dẫn mà họ chế tạo thể hiện hiện tượng chuyển trạng thái bằng đường hầm, giống như chuyển động xuyên qua một bức tường. Ngoài ra, các mạch này cũng chỉ hấp thụ hoặc phát ra năng lượng ở những mức xác định, đúng như dự đoán của cơ học lượng tử.
Chuỗi thí nghiệm mang tính đột phá
- Cơ học lượng tử giải thích các hiện tượng ở cấp độ hạt riêng lẻ, nhưng trong các hiện tượng vĩ mô hằng ngày thì hiệu ứng lượng tử không bộc lộ rõ
- Tuy nhiên, Clarke, Devoret và Martinis đã kiểm chứng bằng thực nghiệm đường hầm lượng tử vĩ mô trong các mạch điện làm từ chất siêu dẫn, nơi rất nhiều hạt chuyển động như một hạt khổng lồ duy nhất
- Khác với những trường hợp ứng dụng đường hầm lượng tử trước đây như phân rã hạt nhân, hiện tượng này được xác nhận trong một hệ mà hàng tỷ hạt chuyển động đồng bộ cùng lúc
- Mạch thí nghiệm đặt hai chất siêu dẫn với một bức tường cách điện mỏng có tính dẫn điện (Josephson junction), qua đó mô tả chuyển động tập thể của các Cooper pair bằng một hàm sóng duy nhất
Cơ học lượng tử vượt qua đường hầm và ranh giới
- Đường hầm lượng tử vốn là một hiệu ứng đã được biết rõ ở hạt đơn lẻ, nhưng các nhà khoa học đoạt giải lần này đã chứng minh rằng nó cũng xuất hiện đồng thời ở hệ nhiều hạt, ngay cả ở quy mô vĩ mô
- Cooper pair được ràng buộc trong cùng một trạng thái lượng tử, nên có thể được mô tả như một hạt khổng lồ duy nhất và bằng một hàm sóng tập thể
- Josephson junction là linh kiện cốt lõi trong nghiên cứu hiện tượng lượng tử, cho phép thực hiện các thí nghiệm khảo sát tương tác của hàm sóng và các hiệu ứng lượng tử vĩ mô thông qua lớp cách điện mỏng giữa hai chất siêu dẫn
Thách thức thực nghiệm của nhóm nghiên cứu
- John Clarke đã dẫn dắt nhiều nghiên cứu vật lý về chất siêu dẫn và Josephson junction tại Berkeley
- Michel Devoret với vai trò nghiên cứu sau tiến sĩ và John Martinis khi còn là nghiên cứu sinh tiến sĩ đã hợp tác với Clarke. Cả ba đã thành công trong việc thu được bằng chứng thực nghiệm và phép đo chính xác về đường hầm lượng tử vĩ mô
- Trong thí nghiệm, một dòng điện rất nhỏ được đưa vào Josephson junction; ban đầu quan sát thấy trạng thái 0 volt, nhưng sau một khoảng thời gian, sự thay đổi lượng tử làm xuất hiện điện áp thông qua đường hầm đã được ghi lại bằng số liệu
- Bằng cách lặp lại cùng một thí nghiệm nhiều lần và tích lũy dữ liệu thống kê, họ phân tích phân bố thời gian chờ đường hầm tương tự như cách đo chu kỳ bán rã trong phân rã hạt nhân
Lượng tử hóa năng lượng và độ chính xác thực nghiệm
- Kết quả thí nghiệm cho thấy tập thể Cooper pair gây ra sự thay đổi trạng thái năng lượng đồng thời như thể là một hạt khổng lồ duy nhất, đồng thời cũng xác nhận lượng tử hóa năng lượng, tức chỉ hấp thụ hoặc phát ra năng lượng ở những mức xác định
- Khi bơm vi sóng để nâng hệ lên trạng thái năng lượng cao hơn, hệ thể hiện thời gian chờ đường hầm rút ngắn, phù hợp với dự đoán của cơ học lượng tử
Ý nghĩa thực tiễn và lý thuyết
- Các hiện tượng lượng tử vĩ mô trước đây (ví dụ: laser, siêu dẫn, siêu chảy) là kết quả của việc cộng gộp các tính chất lượng tử riêng lẻ của vật chất. Nhưng thí nghiệm lần này chứng minh rằng chính tập thể quy mô lớn đó cũng ở trong trạng thái lượng tử
- Thí nghiệm này có thể so sánh với thí nghiệm tư duy con mèo của Schrödinger, chứng minh rằng một tập hợp gồm nhiều hạt thực sự tuân theo các quy luật của cơ học lượng tử
- Các trạng thái lượng tử vĩ mô trở thành nền tảng cho những nền tảng thực nghiệm mới như nguyên tử nhân tạo và cho việc phát triển công nghệ tiên tiến như hiện thực hóa qubit trong máy tính lượng tử
- Đặc biệt, dựa trên thành tựu thực nghiệm này, John Martinis cũng đã công bố các thí nghiệm máy tính lượng tử hiện thực hóa trực tiếp trạng thái 0 và 1 của qubit trong mạch điện
Kết luận
- Giải Nobel Vật lý năm 2025 được trao cho Clarke, Devoret và Martinis vì đã lần đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm đường hầm lượng tử và lượng tử hóa năng lượng trong các mạch điện vĩ mô
- Nghiên cứu này tạo đà cho tiến bộ thực nghiệm và lý thuyết của cơ học lượng tử cũng như mở ra các lĩnh vực công nghệ mới
Thông tin bổ sung
- Tài liệu nền tảng khoa học chi tiết hơn liên quan đến Giải Nobel năm nay có thể xem tại www.kva.se và www.nobelprize.org
- Thông tin về họp báo, bài giảng, triển lãm... có thể tìm thấy tại www.nobelprizemuseum.se
Những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2025
- John Clarke: sinh năm 1942 tại Cambridge, Vương quốc Anh; nhận bằng tiến sĩ tại University of Cambridge năm 1968; hiện là giáo sư tại University of California, Berkeley
- Michel H. Devoret: sinh năm 1953 tại Paris, Pháp; nhận bằng tiến sĩ tại Paris-Sud University năm 1982; hiện là giáo sư tại Yale University/University of California, Santa Barbara
- John M. Martinis: sinh năm 1958; nhận bằng tiến sĩ tại University of California, Berkeley năm 1987; hiện là giáo sư tại University of California, Santa Barbara
“Khám phá đường hầm lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong các mạch điện”
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Tôi đã học điện tử với một người sau này đoạt giải Nobel
Trong sự nghiệp vật lý và chương trình tiến sĩ của tôi, điện tử tương tự là môn vừa khó nhất vừa đáng giá nhất
Tôi còn nhớ đã vật lộn suốt đêm trong phòng thí nghiệm để làm cho bộ lọc hoạt động, ngủ vài tiếng rồi lại quay lại trước khi mặt trời mọc
Phần lớn là vì tôi hay trì hoãn, nhưng quãng thời gian đó thật sự là những kỷ niệm rất đẹp
Khái niệm mà khi đó tôi khó hiểu nhất là nguồn dòng
Tôi đã quen với nguồn áp, còn nguồn dòng thì nghe như một thứ phép thuật
Tôi hỏi giáo sư Martinis, nhưng có vẻ thầy lại không hiểu vì sao tôi không hiểu điều đó
Đáp án là phản hồi (điều khiển phản hồi)
Một nguồn áp tốt cũng cần phản hồi
Vì giáo sư đã quá quen với phản hồi nên không nhắc rằng đó chính là mấu chốt, còn tôi thì trước đó chưa từng nghe về khái niệm điều khiển
Cuối cùng tôi đã nộp đơn vào phòng thí nghiệm của giáo sư để làm nghiên cứu bậc cử nhân nhưng bị từ chối
Cá nhân tôi nghĩ là vì tôi không hiểu khái niệm nguồn dòng, nhưng cũng có thể là vì tôi nộp đơn quá muộn, hoặc vì điểm A- của tôi (cũng do trì hoãn)
Sau đó tôi tìm đến một nhà nghiên cứu vật lý sinh học, và từ đó rẽ hẳn sang con đường khác để trở thành một nhà vật lý sinh học
Nhìn lại thì tôi thấy mình đã gặp may
Tôi chưa từng nghĩ vật lý sinh học sẽ trở thành một phần của đời mình
Dĩ nhiên nếu đi theo hướng vật chất lượng tử hay QI/QC thì có lẽ cũng sẽ rất thú vị
Giờ tôi đang học bằng Mike and Ike (giáo trình) và thấy nó thực sự rất hấp dẫn
Sau khi lấy bằng tiến sĩ, tôi đồng sáng lập một startup về điều khiển công nghiệp & tự động hóa
Bây giờ tôi đã hiểu khá rõ về phản hồi, và cả nguồn dòng nữa (mất rất lâu nhưng cuối cùng cũng học được)
(Nhân tiện, một điểm quan trọng nữa là nguồn áp tốt điều chỉnh điện trở, còn nguồn dòng tốt điều chỉnh điện áp. Lý do tôi thấy nguồn dòng khó hơn nhiều là vì tôi đã quá quen với nguồn áp (pin). Thật ra tôi nên tiếp cận vấn đề một cách phản biện hơn. Sau này tôi cũng hiểu ra rằng nguồn áp lý tưởng thực ra tương đối dễ tạo hơn, còn nguồn dòng lý tưởng thì cực kỳ khó)
Câu "nguồn áp tốt điều chỉnh điện trở, còn nguồn dòng tốt điều chỉnh điện áp" có vẻ hơi dễ gây nhầm lẫn
Tôi muốn hỏi ý anh là nguồn áp điều chỉnh dòng điện, còn nguồn dòng điều chỉnh điện áp phải không (có thể chẳng quá quan trọng, nhưng tôi tò mò nên hỏi vậy)
Nếu tạo được một nguồn dòng lý tưởng và chỉnh nó ở mức 50mA rồi chích vào ai đó thì nghe khá đáng sợ đấy
Cụm "đã hiểu khá rõ*" là một lỗi gõ nhầm (tiếc là tôi không sửa được)
Cũng có thể tạo một nguồn dòng cố định không cần phản hồi, dù rất kém hiệu quả
Fred Ramsdell năm nay đã nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học 2025
Nghe nói hiện ông đang đi bộ đường dài hoàn toàn "off-grid" nên chưa thể liên lạc được
Bài liên quan
Devoret và Martinis cũng thực sự đang đưa kỹ thuật lượng tử sang một giai đoạn mới
Devoret hiện ở Google Quantum AI, còn Martinis ở Qolab
Bạn tôi cũng đang làm tiến sĩ với Devoret, và tôi cũng biết người đang làm việc với Martinis
Với giải Nobel lần này, chắc cả hai sẽ nhận được rất nhiều lời mời nói chuyện và diễn thuyết chính, nên tôi tự hỏi không biết có còn dịp gặp lại người hướng dẫn cũ của mình không
Các buổi nói chuyện mời diễn giả thì phần lớn có thể tự chọn, nhưng có một ngoại lệ
Theo quy định của Nobel, người đoạt giải phải thực hiện một bài giảng trong vòng 6 tháng về chủ đề do cơ quan trao giải Nobel chỉ định
Bài giảng của giải Nobel Vật lý 2024 (liên quan đến nguồn gốc của mạng nơ-ron) cũng đã được tổ chức ngay trước lễ trao giải, và có thể xem trên kênh giáo dục của đài truyền hình Thụy Điển cũng như YouTube
Liên kết video liên quan
Thấy Devoret được chú ý riêng mà không có Schoelkopf bên cạnh khiến tôi hơi thấy lạ
Tôi từng dành thời gian ở khoa Vật lý UCSB và đã gặp giáo sư Martinis
Trong số các nhà vật lý thực nghiệm, giáo sư Martinis có kiến thức về điện tử và đo lường vượt xa cả nhiều người học điện kỹ thuật theo cách thông thường
Giáo sư từng chia sẻ các tài liệu như mạch do mình phát triển, tài liệu kỹ thuật, file CAD... dưới dạng wiki, và cũng công bố phần mềm mã nguồn mở để điều khiển thiết bị điện tử
Tôi tự hào khi UCSB lại một lần nữa có Nobel
Cũng cần nhắc rằng phần lớn nghiên cứu liên quan đến giải Nobel mà Martinis được trao đã được thực hiện tại NIST (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ, thuộc Bộ Thương mại)
Nếu muốn hiểu vì sao các hiện tượng lượng tử này và các hiệu ứng lượng tử ở quy mô vĩ mô lại quan trọng và hấp dẫn, tôi muốn giới thiệu cuốn “Through Two Doors at Once” của Anil Ananthaswany
Thật tuyệt khi thấy University of California, Berkeley và University of Cambridge tiếp tục nối dài danh sách cựu sinh viên đoạt Nobel xuất sắc của mình
Tôi chưa từng nghe về Paris-Sud University, nhưng như vậy đây sẽ là người đoạt Nobel thứ tư xuất thân từ trường đó
Nhiều nơi tách riêng cơ sở đào tạo và cơ sở nghiên cứu, và rất nhiều nghiên cứu cũng như bằng cấp được thực hiện dưới dạng hợp tác giữa nhiều trường và viện nghiên cứu
Ví dụ một phòng thí nghiệm có thể do 5 trường và 3 viện nghiên cứu quốc gia cùng vận hành, còn sinh viên có thể đồng thời nhận bằng mang tên nhiều cơ sở khác nhau thông qua chương trình đồng cấp bằng
Vì vậy với người ngoài, việc hiểu toàn bộ cấu trúc là khá khó
Tôi có một câu hỏi hơi kiểu dân không chuyên
"Một quả bóng ném vào tường thì luôn nảy lại, nhưng hạt trong vi mô có thể xuyên qua vật cản và xuất hiện ở phía bên kia. Điều này được gọi là xuyên hầm."
Tôi muốn hỏi liệu hiện tượng này có nghĩa là hạt thực sự không va vào bức tường mà đi qua một khoảng trống vi mô nào đó, hay là đang có điều gì còn kỳ lạ hơn xảy ra
Câu hỏi đó hoàn toàn không ngớ ngẩn
Theo trực giác cổ điển, ta có thể tưởng tượng hạt luồn lách để đi qua bức tường
Nhưng xuyên hầm trong cơ học lượng tử là một khái niệm hoàn toàn khác
Ở đây "bức tường" không hẳn là một vật thể thật mà là một rào cản năng lượng
Theo cơ học cổ điển, nếu hạt không có đủ năng lượng để vượt qua rào cản đó thì tuyệt đối không thể đi qua, nhưng trong cơ học lượng tử, hạt có tính chất sóng, và biên độ của hàm sóng tuy suy giảm khi đi qua rào cản nhưng không trở thành 0
Kết quả là ở phía bên kia rào cản vẫn tồn tại một xác suất rất nhỏ để hạt hiện diện, nên khi đo đạc, ta thực sự có thể phát hiện nó ở phía đối diện
Điều đáng kinh ngạc của các thí nghiệm dẫn tới giải Nobel lần này là: không phải một hạt đơn lẻ như electron, mà là rất nhiều hạt cùng xuyên hầm đồng thời trong khi chia sẻ một hàm sóng vĩ mô
Chúng ở trong một trạng thái kết hợp mà trong đó hàm sóng nối liền qua rào cản, nên phía bên kia vẫn còn biên độ xác suất đủ đáng kể để việc quan sát trở nên khả thi
Đúng là một hiện tượng còn kỳ lạ hơn thế
Hãy tưởng tượng một hạt đang ở trạng thái năng lượng thấp A, muốn sang trạng thái năng lượng thấp C thì phải đi qua trạng thái năng lượng cao B ở giữa
Theo cơ học cổ điển, nếu không được cấp thêm năng lượng từ bên ngoài thì nó không thể đi từ A sang C, nhưng trên thực tế người ta quan sát thấy hạt có thể chuyển từ A sang C như thể dịch chuyển tức thời mà không cần năng lượng đó
Khi ấy sẽ nảy sinh câu hỏi liệu hạt có thật sự đi qua B hay không (có thể hiểu là về thực chất nó trông như không hề đi qua B)
Một phiên bản đơn giản hóa của hiện tượng này khá giống khái niệm "rào cản thế năng"
Giống như quả bóng đứng trước một ngọn đồi (rào cản năng lượng), nếu không đủ tốc độ thì trong cơ học cổ điển nó sẽ không thể vượt qua
Nhưng trong lượng tử, dù năng lượng không đủ, hàm sóng vẫn suy giảm theo hàm mũ bên trong rào cản mà không biến mất hoàn toàn, nên vì thế vẫn tồn tại xác suất để hạt xuất hiện ở phía bên kia
Trong cơ học lượng tử, "quả bóng" (hay hạt lý tưởng) đi kèm với một hàm sóng
Nếu tính hàm sóng này ra, ta sẽ thấy xác suất để hạt tồn tại phía bên kia bức tường là khác 0
Có thể còn có những giải thích sâu hơn, nhưng theo hiểu biết của tôi thì là như vậy
"Hạt đơn lẻ" ở đây không phải là một hạt kiểu quả bóng cổ điển như ta quen nghĩ, mà là một "đối tượng lượng tử" có thể hành xử như sóng hoặc như hạt tùy hoàn cảnh
Đúng là một khái niệm rất huyền bí
Tôi cũng đã đọc bài của New York Times sáng nay nhưng không thấy thỏa mãn
Vì vậy tôi vào HN để tìm thông tin tốt hơn, và đúng là đã tìm thấy bài viết cùng các lời giải thích hay hơn nên rất hài lòng
Bài được giới thiệu ở đây ở mức học sinh trung học, nhưng với tư cách một tiến sĩ vật lý đã nghỉ hưu, tôi vẫn thấy nó giải thích tốt cả thực nghiệm lẫn lý thuyết
Mỗi năm tôi đều háo hức chờ xem giải Nobel Vật lý sẽ tôn vinh phát hiện đột phá nào
Nghĩ đến việc tiếp tục được học về những tiến bộ mới nhất trong tương lai đã thấy rất phấn khích