Giải Nobel Vật lí 2025 và
Máy Tính Lượng Tử

Cách đây ít giờ, Giải Nobel Vật lí 2025 đã vinh danh ba nhà khoa học John Clarke, Michel H. Devoret và John Martinis “vì khám phá ra hiện tượng xuyên hầm lượng tử vĩ mô và lượng tử hoá năng lượng trong mạch điện”. Thoạt nghe thì có vẻ kết quả này không liên quan trực tiếp đến máy tính lượng tử, nhưng thực ra chính khám phá này đã đặt nền móng cho việc chế tạo bit lượng tử (qubit), những “viên gạch” nhỏ nhất để xây dựng máy tính lượng tử hiện đại.

Mối nối Josephson (Josephson junction)

Các thí nghiệm của Clark, Devoret và Martinis được thực hiện trên mối nối Josephson, nên trước hết ta cần hiểu về cấu tạo của nó. Mối nối Josephson bao gồm hai lớp siêu dẫn ngăn cách bởi một lớp cách điện mỏng (khoảng từ 50 nanomet tới vài micromet tuỳ thiết bị). Khác với các chất dẫn điện như kim loại thông thường với các hạt tải điện là electron tự do, các hạt tải điện của siêu dẫn là các cặp Cooper gồm hai electron ghép đôi với nhau. Lớp cách điện ở giữa tạo thành một rào thế năng ngăn không cho các cặp Cooper “nhảy” từ lớp siêu dẫn này sang lớp siêu dẫn kia. Nếu dùng cơ học cổ điển, ta hình dung các cặp Cooper giống như quả bóng còn lớp cách điện giống như một bức tường. Quả bóng hiển nhiên sẽ bật lại khi chạm vào tường. Nhưng trong thế giới các hạt vi mô hay thế giới lượng tử, quả bóng có thể xuyên qua…bức tường với một xác suất nhất định. Nói cách khác, các cặp Cooper có thể xuyên qua rào thế năng từ lớp cách điện. Đây chính là hiệu ứng xuyên hầm lượng tử nổi tiếng (quantum tunneling), được đề cập và diễn giải trong hầu hết các giáo trình về cơ học lượng tử (xem hình minh hoạ).

Điểm đặc biệt của thí nghiệm với mối nối Josephson là hiện tượng xuyên hầm xảy ra ở quy mô vĩ mô (macroscopic quantum tunneling effect). Và không chỉ xuyên hầm, các cặp Cooper xuyên qua lớp cách điện mang theo những bậc năng lượng rời rạc, hay còn gọi là lượng tử hoá năng lượng. Hiệu ứng Josephson được đề xuất bởi nhà khoa học cùng tên vào những năm 1960, còn thí nghiệm của ba khôi nguyên Nobel năm nay chứng minh hiệu ứng trên được thực hiện vào năm 1985, công bố trên tạp chí Physical Review Letters [1].

Bit lượng tử - Hộp Cooper (Cooper pair box)

Chính tính chất lượng tử hoá năng lượng đã mở đường cho việc chế tạo hộp Cooper, một trong những nguyên mẫu đầu tiên của bit lượng tử.  Những chiếc máy tính để bàn, hay laptop mà chúng ta đang dùng hiện nay lưu trữ thông itn bằng bit nhị phân (0 và 1) trong các bóng bán dẫn (transitor). Còn bit lượng tử có thể tồn tại trong trạng thái chồng chập (superposition) giữa 0 và 1 cùng lúc! Chúng ta có thể sử dụng ví dụ con mèo Schrodinger để hiểu về bit lượng tử. Con mèo trong chiếc hộp kín cùng một lọ chứa hạt nhân phóng xạ với 50% phân rã. Khi phân rã con mèo sẽ “ngủm”. Khi không mở hộp, trạng thái con mèo là một chồng chập lượng tử với 50% sống (trạng thái 0) và 50% ngủm (trạng thái 1). Một bit lượng tử có khả năng mã hoá một thông tin với bất kì số phần trăm của trạng thái 0 và 1. Nhờ khả năng chồng chập này, chúng ta có thể xây dựng một máy tính sử dụng luật chơi của cơ học lượng tử, mở ra nhiều tiềm năng tính toán có thể vượt xa máy tính cổ điển. 

Chế tạo ra một bit lượng tử trong thực tế không hề đơn giản! Về lý thuyết, ta có thể dùng một electron làm bit lượng tử, nhưng việc kiểm soát trạng thái của nó là điều hầu như bất khả thi. Mối nối Josephson như đề cập ở trên cung cấp một giải pháp khả thi hơn: hai miếng siêu dẫn – một lớn (dự trữ hạt, gọi là reservoir) và một nhỏ (đảo, gọi là island) – được ngăn cách bởi lớp cách điện mỏng. Trạng thái của qubit được mã hoá trong xác suất một cặp Cooper xuyên qua rào cách điện. Thực tế, có thể nhiều hơn một Cooper pair xuyên hầm qua miếng cách điện, và điều này gây hại cho chất lượng của bit lượng tử. Để tránh việc nhiều cặp Cooper cùng xuyên hầm, người ta điều chỉnh điện áp giữa hai lớp siêu dẫn, sao cho xuyên hầm của hai hay nhiều cặp Cooper cần năng lượng cao hơn nhiều so với một cặp duy nhất. Thiết bị này được gọi là bit lượng tử điện tích (charge qubit) [2].

Kết luận

Có được bit lượng tử chỉ là bước khởi đầu. Bước tiếp theo là điều khiển và đo đạc trạng thái của các bit lượng tử. Năm 2004, nhóm nghiên cứu tại Đại học Yale đã đề xuất một giải pháp: đặt hộp Cooper trong ống dẫn sóng (waveguide), sử dụng điện trường để điều khiển và đọc trạng thái qubit. Dù vậy, chặng đường đi đến một máy tính lượng tử hoàn chỉnh vẫn còn rất xa. Còn nhiều thách thức tồn tại như về mở rộng số lượng bit lượng tử (scalability), sửa lỗi lượng tử (quantum error correction),… và đây đều là những chủ đề nghiên cứu nóng hổi của thông tin lượng tử.

Bản thân hộp Cooper pair cũng còn nhiều hạn chế, điển hình nó quá nhạy với điện trường bên ngoài tạo ra nhiễu. Sau này có nhiều biến thể cho bit lượng tử như fluxon, transmon.

Mình tin là Nobel năm 2022 cho rối lượng tử và Nobel 2025 cho hiệu ứng xuyên hầm sẽ là cú hích cho nghiên cứu thông tin lượng tử, và mình dự đoán hướng nghiên cứu này sẽ phát triển rất mạnh trong thời gian gần tới.

Bài viết do mình tổng hợp, chia sẻ lại dựa trên hiểu biết cá nhân và chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Mong được mọi người góp ý, trao đổi thêm.

[1] Michel H. Devoret, John M. Martinis, and John Clarke, Physical Review Letters 55, 1908 (1985)

[2] Quantum coherence with a single Cooper pair, V Bouchiat et al Phys. Scr.  165 (1998)

[3] Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits: An architecture for quantum computation, Alexandre Blais et al, Phys. Rev. A 69, 062320 (2004)

[4] An atomic-scale multi-qubit platform, Yu Wang et al, Science 382, 666 (2023).

Hình 1 lấy từ FB của Nobel Prize

Hình 2 mình vẽ dựa trên minh hoạ từ Uỷ ban Nobel