“Cơ học lượng tử là lý thuyết về mọi thứ.”

Vincenzo Savona, trưởng phòng thí nghiệm Vật lý lý thuyết hệ thống nano, đã khám phá ra niềm đam mê với vật lý lượng tử trong quá trình nghiên cứu về chất bán dẫn. Ông đã dành thời gian chia sẻ những hiểu biết của mình về lĩnh vực này, lĩnh vực mà ông đã giảng dạy tại EPFL hơn 20 năm.

Bạn kết hợp vật lý lượng tử và vật lý cổ điển trong giảng dạy như thế nào?

Tôi thường nhắc nhở sinh viên rằng vật lý cổ điển là một nhánh của vật lý lượng tử, chứ không phải ngược lại. Các lý thuyết lượng tử được giới thiệu lần đầu tiên cách đây đúng 100 năm, và ngày nay chúng ta biết rằng chúng có thể giải thích mọi thứ diễn ra xung quanh chúng ta. Các phương trình mô tả môi trường của chúng ta được viết vào năm 1925 và chúng vẫn hoàn toàn hợp lệ cho đến ngày nay.

Vậy tại sao chúng ta vẫn dạy vật lý cổ điển?

Chủ yếu là vì lý do thực tiễn. Các lý thuyết vật lý cổ điển mô tả chính xác nhiều quá trình và được sử dụng để thực hiện các phép tính kỹ thuật, phát triển mô hình máy tính và giải thích một loạt các hiện tượng. Các phương trình cổ điển dễ sử dụng hơn các phương trình lượng tử, khiến chúng phù hợp với nhiều ứng dụng. Nhưng ngay từ năm 1900, Max Planck đã đưa ra giả thuyết rằng vật lý lượng tử có thể giải thích những điều mà lý thuyết của Newton và Maxwell không thể giải thích được. Sau đó, trong 25 năm tiếp theo, các nhà vật lý khác – bao gồm Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli và Erwin Schrödinger – đã khám phá ý tưởng này và phát triển các phương trình mà ngày nay được coi là nền tảng của vật lý lượng tử lý thuyết.

Đó là bối cảnh. Nhưng một thế kỷ sau, các nhà lý thuyết lượng tử như bạn vẫn còn rất nhiều việc phải làm!

Hoàn toàn đúng. Và đó chính xác là điều làm cho vật lý lượng tử trở nên tuyệt vời – các lý thuyết của nó có thể giải thích mọi thứ cấu thành từ ánh sáng hoặc vật chất. Chúng cung cấp cho chúng ta một bộ công cụ lớn hơn so với vật lý cổ điển, mặc dù chúng ta vẫn chưa làm chủ được tất cả các công cụ đó. Có một số quá trình mà chúng ta biết có thể được giải thích bằng vật lý lượng tử, nhưng chúng ta vẫn chưa tìm ra các phương trình phù hợp.

Ví dụ như cái gì?

Một trong những thách thức lớn nhất đối với các nhà vật lý hiện nay là tìm ra một lý thuyết thống nhất duy nhất bao trùm vật lý lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein, mô tả quá trình hấp dẫn. Chúng ta đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng vẫn chưa đạt được điều đó. Một ví dụ khác gần gũi hơn là hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao. Chúng ta vẫn chưa hiểu đầy đủ các cơ chế cơ bản của tính chất này của vật liệu, nhưng nó được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng, chẳng hạn như chụp cộng hưởng từ.

Vậy vật lý lượng tử không chỉ đơn thuần là về các hạt nhỏ bé?

Mọi người thường nghĩ rằng vật lý lượng tử chỉ liên quan đến nguyên tử, electron và photon, nhưng điều đó không đúng. Ví dụ, chúng ta biết rằng sự ổn định của vật chất là nhờ các định luật vật lý lượng tử. Theo vật lý cổ điển, các electron quay quanh hạt nhân sẽ mất năng lượng và sụp đổ thành nguyên tử trong một nano giây, khiến toàn bộ vật chất bị nổ tung. Chỉ có vật lý lượng tử mới có thể giải thích tại sao điều đó không xảy ra. Ở quy mô lớn hơn, các nhà vật lý thiên văn có thể sử dụng sự bất ổn trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ để quan sát các dấu hiệu của hiện tượng lượng tử bắt nguồn từ Vụ nổ lớn.

Ngoài lý thuyết thuần túy, vật lý lượng tử còn có những ứng dụng nghiên cứu nào?

Có rất nhiều. Tại EPFL, chúng tôi đang phát triển các ứng dụng liên quan đến lượng tử chủ yếu trong lĩnh vực điện toán, hệ thống truyền thông, mô hình hóa và cảm biến.

Liệu có nhiều sinh viên bị thu hút bởi lĩnh vực này bất chấp tính phức tạp của nó?

Vâng. Tôi phải nói rằng lớp học thạc sĩ về điện toán lượng tử của tôi rất được ưa chuộng. Chúng tôi cũng nhận được rất nhiều yêu cầu về các dự án thạc sĩ trong lĩnh vực này. May mắn thay, chúng tôi có mối liên hệ với nhiều đối tác bên ngoài, bao gồm cả các công ty, thông qua Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử (QSE Center) của EPFL, và điều đó tạo ra cơ hội cho các sinh viên.

Liệu EPFL có nổi bật trong lĩnh vực này?

Vâng, chắc chắn rồi. Đây là lĩnh vực ưu tiên của Trường chúng tôi trong hơn một thập kỷ qua, và chúng tôi đã tuyển dụng gần chục giáo sư mới. Việc khai trương Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử (QSE Center) vào năm 2021 là một bước tiến lớn, và năm sau đó chúng tôi đã giới thiệu chương trình thạc sĩ về khoa học và kỹ thuật lượng tử, ngay lập tức nhận được rất nhiều đơn đăng ký. Tôi cũng muốn đề cập đến Tòa nhà Khoa học Tiên tiến sắp được xây dựng. Nó sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu của chúng tôi thiết bị cực kỳ mạnh mẽ, mang lại cho chúng tôi nguồn lực đáng kể để thúc đẩy lĩnh vực này tiến lên. Kết quả là, EPFL – và Thụy Sĩ nói chung – đang có vị thế rất tốt trên trường quốc tế.trong các ứng dụng lượng tử mà tôi đã đề cập trước đó. Trường chúng tôi cũng đang tập trung mạnh vào việc phát triển các thuật toán lượng tử, sẽ có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Việc khai thác tối đa tiềm năng của điện toán lượng tử cũng tham vọng không kém gì cuộc đổ bộ lên Mặt Trăng.

Vậy kế hoạch là phát triển các thuật toán trước khi máy tính sẵn sàng – chẳng phải đó là đi ngược lại lẽ thường sao?

Tôi cho rằng nghiên cứu mà chúng ta đang thực hiện trong lĩnh vực tính toán và điện toán lượng tử có thể so sánh với công trình tiên phong trong lĩnh vực điện tử vào những năm 1940 – và giờ đây chúng ta thấy được sự phát triển của nó trong những thập kỷ tiếp theo. Tiến bộ trong lĩnh vực máy tính lượng tử đang diễn ra với tốc độ chóng mặt. Các kỹ sư đang cùng lúc khám phá nhiều phương pháp khác nhau và tạo ra vô số nguyên mẫu. Chúng ta vẫn chưa biết công nghệ nào sẽ chiếm ưu thế. Nhưng rõ ràng có những trở ngại mà chúng ta cần phải vượt qua, chẳng hạn như sửa lỗi lượng tử và phát triển phần mềm đặc biệt để kiểm tra máy tính lượng tử.

Máy tính lượng tử sẽ được sử dụng cho những mục đích gì?

Ý tưởng không chỉ là chế tạo những cỗ máy nhanh hơn những cỗ máy hiện có – điều chúng ta đang hướng tới là một sự thay đổi mô hình trong cách xử lý dữ liệu. Nhiều phép tính hữu ích tiềm năng không thể thực hiện được với kiến ​​trúc máy tính cổ điển vì lượng thời gian và tài nguyên cần thiết tăng theo cấp số nhân với quy mô của phép toán. Máy tính lượng tử có thể thực hiện một số phép toán hiệu quả hơn nhiều. Ví dụ, chúng sẽ rất phù hợp để tạo ra các mô hình kỹ thuật số của vật chất, hoặc để chạy các phép tính tối ưu hóa, vì chúng có thể xử lý khối lượng lớn dữ liệu cùng một lúc. Một số nhà vật lý, bao gồm Zoë Holmes tại EPFL, đang nghiên cứu về học máy lượng tử, điều này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của trí tuệ nhân tạo.

Liệu trí tuệ nhân tạo và điện toán lượng tử có phải là hai phương pháp cạnh tranh nhau?

Chúng đang được phát triển đồng thời và hỗ trợ lẫn nhau, mở đường cho những tiến bộ vượt bậc. Ví dụ, các kỹ sư đang sử dụng trí tuệ nhân tạo để cải thiện thiết kế máy tính lượng tử.

Nhân tiện nói về thiết kế, tại sao những chiếc máy tính này lại trông kỳ lạ đến vậy?

Các chip lượng tử cần được làm lạnh đến nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối (-273,15 °C) trong các thiết bị làm lạnh đặc biệt để hoạt động. Dữ liệu được truyền vào và ra khỏi các thiết bị làm lạnh bằng sóng vi ba, được truyền tải trong các ống tạo nên hình dạng đặc trưng của những chiếc máy tính này. Đồng nghiệp của tôi, Tobias Kippenberg, đang nghiên cứu phát triển các bộ chuyển đổi có thể hoạt động bên trong các thiết bị làm lạnh, từ đó cho phép dẫn cáp quang trực tiếp vào lõi hệ thống. Nếu thành công, đó sẽ là một bước tiến công nghệ khổng lồ.

Bạn nghĩ khi nào chúng ta sẽ bắt đầu thấy những ứng dụng quy mô lớn đầu tiên?

Việc đưa ra dự báo cụ thể vào thời điểm này là không thực tế. Đây là một nỗ lực toàn cầu, mang tính hợp tác cao – tương tự như cuộc đổ bộ lên Mặt Trăng! Chúng ta biết rằng công nghệ lượng tử có tiềm năng đáng kinh ngạc, vì vậy chúng ta có nghĩa vụ đạo đức phải cố gắng hiện thực hóa tiềm năng đó. Sẽ có rất nhiều thử nghiệm và sai sót, nhiều lần thất bại, nhưng chúng ta sẽ học được rất nhiều từ những sai lầm đó. Tôi coi đó như một dạng đánh cược của Pascal – chúng ta không có gì để mất khi tin tưởng, vì vậy chúng ta nên làm mọi thứ có thể để biến điều đó thành hiện thực.