Bộ ba được trao giải cho những đóng góp mang tính tiên phong trong việc khám phá hiệu ứng đường hầm lượng tử vĩ mô và lượng tử hóa năng lượng trong mạch siêu dẫn, những nghiên cứu đã đặt nền tảng cho ngành điện toán lượng tử hiện đại.
Theo thông cáo từ Ủy ban Nobel, công trình của ba nhà khoa học này được xem là "bước ngoặt trong việc mở rộng thế giới lượng tử ra ngoài phạm vi của nguyên tử, chứng minh rằng các hiện tượng lượng tử có thể tồn tại và kiểm soát được ở quy mô vĩ mô".
Bốn mươi năm trước, những thí nghiệm mà họ tiến hành đã làm thay đổi tận gốc cách con người hiểu về ranh giới giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ điển, hai lĩnh vực tưởng chừng tách biệt hoàn toàn.
Từ đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý đã biết rằng những hạt vi mô như electron hay photon tuân theo các quy luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, trong khi vật thể lớn hơn (từ quả bóng chày đến hành tinh) lại hành xử theo cơ học cổ điển. Giữa hai thế giới ấy tồn tại một "vùng xám" khó nắm bắt: liệu có thể quan sát được hiện tượng lượng tử ở quy mô vĩ mô hay không? Câu hỏi ấy chính là điểm khởi đầu cho hành trình kéo dài hàng thập kỷ của Clarke, Devoret và Martinis.
Giải Nobel Vật lý năm 2025, vinh danh ba nhà khoa học John Clarke (Đại học California, Berkeley), Michel H. Devoret (Đại học Yale và Đại học California, Santa Barbara) và John M. Martinis (Đại học California, Santa Barbara).
Vào giữa những năm 1980, trong phòng thí nghiệm tại Đại học California, Berkeley, bộ ba bắt đầu thử nghiệm trên các mạch siêu dẫn dựa trên giao thoa Josephson - thiết bị gồm hai lớp siêu dẫn ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng, cho phép dòng điện siêu dẫn chạy qua nhờ hiệu ứng lượng tử.
Mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và pha lượng tử của thiết bị này khiến nó có thể được mô phỏng như một "hạt" chuyển động trong một "thế năng tấm ván giặt" lồi lõm. Trong điều kiện bình thường, "hạt" này bị kẹt trong một hố năng lượng và không thể thoát ra. Nhưng ở nhiệt độ cực thấp, nhóm nghiên cứu nhận thấy điều bất ngờ: "hạt" có thể xuyên qua rào cản năng lượng - một hiệu ứng được gọi là "đường hầm lượng tử vĩ mô" (Macroscopic Quantum Tunneling, MQT).
Hiện tượng này là minh chứng đầu tiên cho thấy một hệ thống nhân tạo với hàng tỷ hạt có thể hành xử như một hạt lượng tử duy nhất. Để ghi nhận được tín hiệu tinh tế đó, nhóm phải làm việc ở điều kiện cực hạn: nhiệt độ chỉ vài milikelvin (gần bằng độ không tuyệt đối) và phải loại bỏ mọi nhiễu điện từ từ môi trường.
Không dừng lại ở đó, Clarke, Devoret và Martinis tiếp tục thực hiện bước đột phá thứ hai: họ chiếu sóng vi ba vào hệ thống và phát hiện rằng mạch chỉ phản ứng ở những tần số rời rạc, chứ không liên tục. Nói cách khác, năng lượng của hệ thống không thay đổi tùy ý mà "nhảy cóc" giữa các mức cố định, một đặc trưng cổ điển của cơ học lượng tử.
Đây là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy mức năng lượng của một mạch nhân tạo có thể được lượng tử hóa, tương tự như các quỹ đạo năng lượng trong nguyên tử.
Những kết quả ấy không chỉ chứng minh rằng các hiện tượng lượng tử có thể tồn tại ở quy mô lớn, mà còn mở ra cánh cửa cho công nghệ lượng tử ứng dụng. Trong một hệ hai mức năng lượng rời rạc có thể điều khiển, ta có thể định nghĩa các trạng thái lượng tử |0⟩ và |1⟩ – chính là đơn vị cơ bản của điện toán lượng tử, hay còn gọi là "qubit".
Nhờ nền tảng mà Clarke, Devoret và Martinis đặt ra, các nhà khoa học sau này đã có thể tạo ra "nguyên tử nhân tạo" trên chip và kiểm soát quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái này bằng xung vi ba.
Chip mảng tiếp giáp Josephson.
Những nghiên cứu tiếp nối từ đó đã dẫn đến sự ra đời của các kiến trúc qubit siêu dẫn, công nghệ cốt lõi đang được sử dụng bởi Google, IBM và nhiều phòng thí nghiệm hàng đầu thế giới.
Michel H. Devoret sau này cùng Robert Schoelkopf và Steven Girvin phát triển khái niệm “điện động lực học lượng tử mạch” (Circuit Quantum Electrodynamics - cQED), cho phép điều khiển chính xác các qubit siêu dẫn và kéo dài thời gian duy trì trạng thái lượng tử. Ông cũng đồng phát minh ra "qubit transmon", loại qubit ổn định và ít nhạy cảm với nhiễu nhất hiện nay.
Trong khi đó, John M. Martinis mang tầm nhìn ấy ra thế giới công nghiệp. Năm 2014, ông cùng nhóm nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara gia nhập Google, mở ra giai đoạn thương mại hóa điện toán lượng tử.
Năm 2019, nhóm do ông dẫn đầu công bố rằng bộ xử lý Sycamore với 53 qubit của Google đã thực hiện được một tác vụ nhanh hơn hàng triệu lần so với siêu máy tính mạnh nhất khi đó - cột mốc được gọi là "ưu thế lượng tử". Dù vẫn còn gây tranh luận, đây được xem là bước tiến lịch sử, minh chứng rằng điện toán lượng tử đã rời phòng thí nghiệm để tiến vào thực tế.
John Clarke, người thầy và cũng là người mở đường, tiếp tục cống hiến cho lĩnh vực đo lường siêu dẫn và các cảm biến lượng tử có độ nhạy cực cao. Những đóng góp suốt sự nghiệp của ông được xem như "bộ xương sống" của ngành đo lường lượng tử hiện đại.
Giải Nobel năm nay không chỉ là sự ghi nhận cho một công trình khoa học cụ thể, mà còn là lời tri ân đối với tinh thần khám phá bền bỉ của các nhà nghiên cứu, những người sẵn sàng dành hàng năm trời trong phòng thí nghiệm lạnh giá để theo đuổi một câu hỏi tưởng chừng triết học: ranh giới của thế giới lượng tử ở đâu?
Câu trả lời mà Clarke, Devoret và Martinis tìm ra bốn mươi năm trước đã làm thay đổi cách chúng ta hiểu về tự nhiên, và gián tiếp khởi động một trong những cuộc cách mạng công nghệ lớn nhất thế kỷ 21: điện toán lượng tử.
Ngày nay, khi những bộ xử lý lượng tử đang dần được thương mại hóa, giải Nobel Vật lý 2025 như một lời nhắc rằng mọi bước tiến vĩ đại của nhân loại đều bắt đầu từ sự tò mò và từ những thí nghiệm giản dị nhưng đầy táo bạo của những bộ óc không ngừng đặt câu hỏi về giới hạn của tri thức con người.
