Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển cho biết giải thưởng được trao “vì phát hiện hiện tượng xuyên hầm cơ học lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện”, một bước ngoặt mở rộng biên giới của cơ học lượng tử từ thế giới hạ nguyên tử sang quy mô đủ lớn để cầm trong lòng bàn tay.

Chủ nhân giải thưởng Nobel Vật lý 2025 John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis. Ảnh: Nobel Prize

John Clarke, 83 tuổi, sinh tại Anh và hiện là giáo sư Đại học California Berkeley (Mỹ), cho biết ông “hoàn toàn sửng sốt” khi hay tin: “Tôi chưa từng nghĩ công trình này sẽ trở thành cơ sở cho một giải Nobel.” Michel H. Devoret, 72 tuổi, sinh tại Pháp, là giáo sư tại Đại học Yale và Đại học California Santa Barbara (Mỹ). John M. Martinis, 67 tuổi, là giáo sư tại Đại học California Santa Barbara và từng dẫn dắt nhóm phát triển máy tính lượng tử của Google.

Một câu hỏi lớn của vật lý hiện đại là: “Hệ thống lớn nhất tới đâu có thể biểu lộ các hiệu ứng lượng tử?” Những hiện tượng như xuyên hầm, khi một hạt đi xuyên qua rào cản năng lượng mà đáng lẽ không thể vượt qua vốn chỉ được quan sát ở quy mô hạt nhân hoặc electron.

Loạt thí nghiệm của Clarke, Devoret và Martinis vào năm 1984-1985 đã chứng minh điều ngược lại.

Họ chế tạo một mạch điện siêu dẫn với cấu trúc tiếp giáp Josephson, trong đó các cặp electron (gọi là cặp Cooper) di chuyển đồng bộ như một hạt lượng tử khổng lồ. Hệ thống này ban đầu ở trạng thái không có điện áp giống như bị mắc kẹt sau một “bức tường năng lượng”. Tuy nhiên, thay vì bị giữ lại mãi mãi, nó tự thoát ra nhờ hiện tượng xuyên hầm lượng tử, tạo ra điện áp đo được.

Không chỉ vậy, khi chiếu sóng vi ba vào hệ, các nhà khoa học phát hiện mạch chỉ hấp thụ năng lượng theo từng mức cố định, đúng như dự đoán của cơ học lượng tử về trạng thái năng lượng rời rạc (quantised energy levels).

Nếu ném một quả bóng vào tường, bạn chắc chắn nó sẽ nảy ngược lại. Nhưng ở thế giới lượng tử, một hạt có thể… xuất hiện ở phía bên kia bức tường như thể xuyên qua vật cản. Chính hiện tượng “xuyên hầm lượng tử” này khiến cơ học lượng tử trở nên kỳ lạ và khó tin. Ảnh: Nobel Prize

Hội đồng Nobel khẳng định phát hiện của ba nhà khoa học không chỉ giải quyết một câu hỏi lâu đời của vật lý, liệu hiệu ứng lượng tử có thể tồn tại ở quy mô vĩ mô hay không mà còn đặt nền móng cho toàn bộ thế hệ công nghệ tiếp theo.

Thay vì chỉ quan sát các hiệu ứng lượng tử ở cấp độ electron đơn lẻ hay nguyên tử, giờ đây chúng ta đã có một hệ lượng tử có thể gắn dây, cấp nguồn và đo đạc bằng đồng hồ điện tử. Khoảnh khắc ấy đánh dấu bước chuyển từ vật lý cơ bản sang kỹ thuật lượng tử thực dụng.

Từ đây, ba hướng phát triển lớn đã trở nên khả thi: Máy tính lượng tử, sử dụng chính các mức năng lượng rời rạc trong mạch siêu dẫn làm bit lượng tử (qubit) - nơi trạng thái “0” và “1” không còn chỉ tồn tại riêng rẽ mà có thể chồng chập lên nhau. Mã hóa lượng tử, dựa trên nguyên lý rằng mọi phép đo trạng thái lượng tử đều để lại dấu vết, nghĩa là ngay cả việc nghe lén cũng không thể giấu giếm. Cảm biến lượng tử, đủ nhạy để phát hiện dao động từ trường yếu hơn hàng triệu lần từ lực Trái Đất, hoặc sự dịch chuyển của một phân tử trong cơ thể sống.

Hình minh họa: Một hệ lượng tử bị “nhốt” sau rào cản năng lượng có thể mang nhiều mức năng lượng khác nhau, nhưng chỉ hấp thụ hoặc phát ra theo từng “gói” cố định – gọi là lượng tử hóa. Khi ở mức năng lượng cao hơn, hệ có khả năng xuyên qua rào cản nhanh hơn, nên thời gian bị giữ lại cũng ngắn hơn. Ảnh: Nobel Prize.

“Trong hơn một thế kỷ, cơ học lượng tử từng khiến chúng ta kinh ngạc về triết học. Giờ đây, nó bắt đầu khiến chúng ta kinh ngạc vì tính thực dụng,” Olle Eriksson, Chủ tịch Hội đồng Nobel Vật lý, nhận định.

Giải Nobel được thành lập từ năm 1901 theo di chúc của nhà phát minh Alfred Nobel. Người chiến thắng sẽ nhận huy chương, bằng chứng nhận và 11 triệu krona Thụy Điển (khoảng 1,2 triệu USD), chia đều cho các đồng chủ nhân giải thưởng.

Từ năm 1901 đến 2024, giải Nobel Vật lý đã được trao 118 lần. John Bardeen là người duy nhất hai lần nhận giải (1956 và 1972). Cùng với giải thưởng năm nay, tổng cộng 226 nhà khoa học đã được vinh danh vì những đóng góp làm thay đổi cách nhân loại hiểu về vũ trụ.