Giải Nobel Vật lý 2025 – Phần cứng cho Máy tính Lượng tử

Diễn giả của bài giảng là GS. Alexey Ustinov – Giám đốc Phòng thí nghiệm Công nghệ lượng tử siêu dẫn, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Liên bang Nga (MISIS). GS. Alexey Ustinov đến thăm và làm việc tại ĐHQGHN trong thời gian từ 14–17/10/2025 theo lời mời của Giám đốc Đại học Quốc gia Hà Nội. Bài giảng đại chúng tại Trường ĐHKHTN là một trong những hoạt động đầu tiên của giáo sư trong chuyến công tác này.

Giải Nobel Vật lý năm 2025 được trao cho ba nhà khoa học: John Clarke (Đại học California, Mỹ), Michel H. Devoret (Đại học Yale và Đại học California, Mỹ) và John M. Martinis (Đại học California, Mỹ) vì "phát hiện ra hiệu ứng đường hầm lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch điện”.

Những thí nghiệm trên một mạch điện của ba nhà khoa học trên đã hé lộ ứng dụng của vật lý lượng tử. Cụ thể, các nhà khoa học đã tiến hành các thí nghiệm trên mạch điện, giúp chứng minh cả hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử và các mức năng lượng lượng tử hóa trong một hệ thống đủ lớn cỡ bằng tay người. Trước đây các hiệu ứng lượng tử thường chỉ quan sát được ở cấp độ rất nhỏ, như hạt cơ bản hoặc nguyên tử, nhưng nghiên cứu trên đã chứng minh rằng các hiện tượng lượng tử có thể tồn tại và được kiểm soát trên quy mô lớn hơn, nói cách khác là trên các hệ thống vĩ mô mà mắt thường có thể thấy. Hệ thống điện siêu dẫn mà họ chế tạo có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác như thể "xuyên qua một bức tường". Họ cũng chứng minh hệ thống này hấp thụ và phát ra năng lượng theo từng phần định lượng, đúng như dự đoán của cơ học lượng tử.

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

Trong bài giảng của mình, GS. Ustinov đã giới thiệu cụ thể từng từ trong thông báo của Uỷ ban giải thưởng Nobel “cho các khám phá về hiệu ứng xuyên hầm lượng tử  vĩ mô và lượng tử hoá năng lượng trong mạch điện“ (for the discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantisation in an electric circuit). Giáo sư bắt đầu với giải Nobel 1973 được trao cho Giaever về hiệu ứng xuyên hầm trong vật liệu siêu dẫn, và giải thích sự khác nhau giữa xuyên hầm vĩ mô của John Clarke khác với xuyên hầm lượng tử của Nobel 1973. Ở giải thưởng năm nay, hiệu ứng xuyên hầm lượng tử xảy ra với một lượng lớn electron, ngưng tụ ở trạng thái siêu dẫn theo lý thuyết của Bardeen, Cooper, Schrieffer Nobel năm 1972. Bài giảng tiếp tục với sự lượng tử hoá trạng thái vĩ mô này trong một hố thế tương tự như một tấm ván giặt quần áo với nhiều hố thế parabol nghiêng theo thế năng của mạch điện. Trạng thái lượng tử hóa với số lượng lớn electron cho phép giá trị dòng điện, hiệu điện thế của chúng được đo với các thiết bị điện thông thường, đặt nền tảng cho các đột phá sau này để chế tạo thành công qubit siêu dẫn của tính toán lượng tử.

Bài giảng dành một phần cho các phát triển tiếp sau, khi mạch điện siêu dẫn chứng minh tính chất kết hợp (coherence) với trạng thái lượng tử vĩ mô, bắt đầu với qubit điện tích thực hiện tại Đại học Tokyo của GS. Nakamura. Song hành với các bước tiến này, GS. Ustinov đã cộng tác với GS. Martinis (Nobel 2025) với các công bố trên Physical Review Letters và GS Clarke (Nobel 2025) về hiệu ứng lượng tử vĩ mô trên mạch điện siêu dẫn. GS. Ustinov đã hướng dẫn nhiều sinh viên đạt bước tiến lớn trong với mạch điện siêu dẫn vĩ mô, như GS. Wallraff ở Đại học Zurich ETH (PhD với Ustinov, postdoc với GS. Devoret Nobel 2025).

Bài giảng của GS. Ustinov được trình bày bằng tiếng Anh với sự hỗ trợ dịch trực tiếp từ TS. Nguyễn Quốc Hưng, Viện trưởng Viện Công nghệ Lượng tử, Công viên Công nghệ cao và Đổi mới sáng tạo, ĐHQGHN, Phó Giám đốc Trung tâm Nano và Năng lượng, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Bài giảng nhận được nhiều quan tâm của người tham dự với hội trường chật kín và các câu hỏi sâu sắc về vật lý, tính toán lượng tử. Nhiều câu hỏi bày tỏ sự quan tâm về rào cản công nghệ nhiệt độ thấp, vốn hạn chế tiếp cận của Việt Nam trong nhiều năm. GS. Ustinov cho rằng sự phát triển của công nghệ hiện đại đã hoàn toàn loại bỏ rào cản này. Các cỗ máy làm lạnh đã rất hoàn thiện và có thể được vận hành mà không cần có chuyên gia.

Ngoài ra, các câu hỏi của người tham dự còn thể hiện sự quan tâm tới vật liệu mới và khả năng vận hành của qubit siêu dẫn. GS. Ustinov đã cập nhật các kết quả mới trong ngành, nhấn mạnh vào những đột phá, mà tiêu biểu như công trình được công nhận ở giải Nobel năm nay. Tuy nhiên, còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết cho tới khi máy tính lượng tử có thể được ứng dụng trong đời sống thực tế.