Quantum tunneling

Hiện tượng xuyên hầm lượng tử (quantum tunnelling) là một quá trình trong cơ học lượng tử mà trong đó một hạt có thể đi qua một rào cản năng lượng mà theo vật lý cổ điển nó không đủ năng lượng để vượt qua. Trong cơ học cổ điển, nếu một quả bóng không đủ lực để vượt qua bức tường thì nó sẽ bật lại — nhưng trong thế giới lượng tử, do tính chất “sóng” của vật chất, một hạt có thể xuất hiện ở phía bên kia rào cản này với xác suất nhỏ nhưng khác không.

Trong cơ học lượng tử, mỗi hạt không chỉ là điểm mà còn có hàm sóng xác suất biểu diễn khả năng xuất hiện tại các vị trí khác nhau. Khi hàm sóng này “đè” lên một rào cản năng lượng, một phần của hàm sóng có thể “rò rỉ” sang phía bên kia, tạo cơ hội cho hạt xuất hiện ở đó ngay cả khi nó không có đủ năng lượng để “leo qua” rào cản theo cách cổ điển. Đó chính là bản chất của xuyên hầm lượng tử.

Trong lịch sử, xuyên hầm lượng tử được quan sát đầu tiên trong các hạt phóng xạ và trong các hệ siêu dẫn nhỏ, điều này là nền tảng cho nhiều công nghệ từ chất bán dẫn đến máy tính lượng tử.

(Nguồn:https://galileo-unbound.blog/2022/11/06/a-short-history-of-quantum-tunneling/ )

Năm 2025, giải Nobel Vật lý được trao cho các nhà khoa học đã chứng minh rằng hiệu ứng này có thể xảy ra ở mức lớn hơn rất nhiều — trong các hệ mạch điện siêu dẫn đủ lớn để nhìn thấy bằng mắt thường và hoạt động như một “hạt lượng tử khổng lồ”.

• Cụ thể, John Clarke, Michel Devoret và John Martinis đã thiết kế một mạch điện siêu dẫn có rào cản Josephson — là lớp cách điện siêu mỏng giữa hai vật liệu siêu dẫn. Khi hệ thống được làm lạnh tới gần không độ tuyệt đối, hàng tỷ electron liên kết hoạt động như một thực thể lượng tử “tập thể” có thể xuyên qua rào cản năng lượng trong mạch này, chứng minh rằng hiệu ứng lượng tử không chỉ giới hạn ở các hạt riêng lẻ.

(Nguồn:https://www.civilsdaily.com/news/physics-nobel-prize-for-quantum-tunneling/ )

Tại sao điều này quan trọng?

• Đây là minh chứng đầu tiên cho thấy hiện tượng lượng tử như xuyên hầm không chỉ xảy ra ở cấp độ nguyên tử mà còn ở cấp độ vật thể lớn hơn và được kiểm soát trong phòng thí nghiệm.

• Những thí nghiệm này là nền tảng cho mạch lượng tử siêu dẫn — công nghệ chủ chốt của máy tính lượng tử hiện đại và cảm biến lượng tử.

• Hiện tượng xuyên hầm cũng là nguyên lý hoạt động của nhiều công nghệ đã dùng trong đời sống như bộ nhớ flash, SSD, và kính hiển vi xuyên hầm quét (STM); nhưng với những mạch lớn hơn, nó mở ra khả năng ứng dụng trong máy tính lượng tử, thông tin lượng tử, và cảm biến cực nhạy.

Xuyên hầm không phá vỡ định luật bảo toàn năng lượng; nó là hệ quả của mô tả lượng tử. Hiện tượng này rất hiếm ở thế giới vĩ mô (con người không thể “đi xuyên tường”), nhưng phổ biến và thiết yếu ở cấp độ nguyên tử.

(Nguồn: https://gauravkrishnan.substack.com/p/quantum-tunneling-and-its-applications-what-is-quantum-tunneling)

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://thequantuminsider.com/2025/10/07/what-is-quantum-tunnelling-how-a-2025-nobel-winning-experiment-brought-quantums-weird-world-to-the-real-world/
• https://courses.physics.illinois.edu/phys485/fa2015/web/tunneling.pdf
• https://www.bluequbit.io/blog/quantum-tunneling

Quantum biology

Quantum biology (sinh học lượng tử) là một lĩnh vực liên ngành nghiên cứu vai trò của các hiện tượng cơ học lượng tử—như chồng chập (superposition), xuyên hầm lượng tử (quantum tunneling), vướng víu lượng tử (entanglement) và tính kết hợp lượng tử (quantum coherence)—trong các quá trình sinh học của sinh vật sống.

(Nguồn: https://www.lindau-nobel.org/what-is-quantum-biology/)

Vì sao cần “lượng tử” trong sinh học?

Ở quy mô phân tử (electron, proton), nhiều quá trình sinh học diễn ra nhanh và chính xác bất thường nếu chỉ giải thích bằng vật lý cổ điển. Cơ học lượng tử giúp lý giải những “độ chính xác” đó.

(Nguồn: https://encyclopedia.pub/entry/52265)

Những ví dụ tiêu biểu

• Quang hợp (photosynthesis)

Khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ, năng lượng không truyền đi một cách ngẫu nhiên mà di chuyển cực kỳ hiệu quả trong hệ thống phân tử. Nghiên cứu cho thấy năng lượng này có thể lan truyền nhờ tính kết hợp lượng tử, cho phép nó “khảo sát” nhiều con đường cùng lúc và chọn con đường hiệu quả nhất. Nhờ đó, cây xanh chuyển hóa ánh sáng thành năng lượng hóa học với hiệu suất đáng kinh ngạc.

• Hoạt động enzyme

Trong phản ứng enzyme, hiện tượng xuyên hầm lượng tử cũng đóng vai trò quan trọng. Proton hoặc electron có thể đi xuyên qua rào thế năng, giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn nhiều so với dự đoán cổ điển. Điều này góp phần giải thích vì sao các phản ứng sinh hóa trong cơ thể có thể xảy ra nhanh và chính xác đến vậy, ngay ở nhiệt độ thường.

• Định hướng từ trường ở chim di cư

một số loài chim di cư được cho là định hướng nhờ từ trường Trái Đất thông qua cơ chế lượng tử trong các protein nhạy sáng, giúp chúng xác định phương hướng khi bay hàng nghìn kilômét.

• Đột biến DNA

Proton có thể xuyên hầm dẫn đến bắt cặp sai, góp phần gây đột biến.

Quantum biology không nói rằng sinh vật “suy nghĩ lượng tử”. Nó chỉ ra rằng một số quá trình vi mô trong sinh học khai thác hiệu ứng lượng tử để đạt hiệu quả cao.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://research.csiro.au/qt/quantum-biology/
• https://royalsociety.org/blog/2019/02/the-future-of-quantum-biology/
• https://thequantuminsider.com/2025/05/29/whats-quantum-biology-a-research-pioneer-shares-his-vision-for-quantum-technologys-next-frontier/
• http://www.ks.uiuc.edu/Research/quantum_biology/

Quantum finance

Quantum finance (tài chính lượng tử) là lĩnh vực ứng dụng các ý tưởng và/hoặc công nghệ lượng tử để giải quyết bài toán tài chính—từ định giá, tối ưu danh mục, quản trị rủi ro đến phát hiện gian lận—những việc mà phương pháp cổ điển gặp khó khi dữ liệu lớn, tương tác phức tạp và bất định cao.

(Nguồn: https://www.nomuraconnects.com/focused-thinking-posts/what-will-be-the-role-of-quantum-computing-in-the-future-of-finance/ )

Hai nhánh chính của Quantum finance

Quantum finance không có nghĩa là thị trường tài chính “hoạt động theo quy luật lượng tử”. Thay vào đó, đây là lĩnh vực ứng dụng tư duy và/hoặc công nghệ lấy cảm hứng từ cơ học lượng tử để giải quyết các bài toán tài chính khó.

• Quantum-inspired finance (tài chính hoạt động theo nguyên tắc lượng tử)

• Dùng mô hình, xác suất và toán học lấy cảm hứng từ lượng tử (chồng chập, giao thoa, phụ thuộc bối cảnh)

• Áp dụng trên máy tính cổ điển

• Hữu ích để mô hình hóa hành vi thị trường, kỳ vọng, hiệu ứng khung

• Quantum computing for finance (máy tính lượng tử cho tài chính)

• Dùng thuật toán lượng tử (tối ưu hóa, lấy mẫu, mô phỏng)

• Nhắm tới tăng tốc các bài toán như tối ưu danh mục, Monte Carlo, pricing phái sinh

Về ứng dụng, quantum finance hứa hẹn mang lại giá trị trong tối ưu danh mục đầu tư, quản trị rủi ro, định giá phái sinh, và phát hiện gian lận. Dù vậy, cần nhấn mạnh rằng máy tính lượng tử hiện nay vẫn đang ở giai đoạn sớm, nên phần lớn ứng dụng mới dừng ở thử nghiệm và nghiên cứu. Trong ngắn hạn, các phương pháp “lấy cảm hứng lượng tử” trên máy cổ điển đang tạo ra giá trị thực tế hơn.

(Nguồn: https://www.quantumjobs.us/jobs/quantum-finance-optimization )

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://www.mathworks.com/discovery/quantum-finance.html
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405428318300571
• https://www.quantumjobs.us/jobs/quantum-finance-optimization

Quantum money

Quantum Money (tiền lượng tử) là một khái niệm tiền tệ dựa trên các nguyên lý của cơ học lượng tử, trong đó tính xác thực của tiền được bảo vệ bởi các quy luật vật lý, chứ không chỉ bằng thuật toán mật mã như tiền điện tử hiện nay.

Khái niệm quantum money được đề xuất lần đầu bởi Stephen Wiesner vào đầu thập niên 1970. Ý tưởng dựa trên định lý không sao chép (no-cloning theorem) của cơ học lượng tử, theo đó không thể sao chép hoàn hảo một trạng thái lượng tử chưa biết.

(Nguồn: https://www.nature.com/articles/s41598-019-51953-9 )

Quantum money hoạt động thế nào?

• Mỗi “tờ tiền” chứa một trạng thái lượng tử bí mật (ví dụ: các qubit ở những trạng thái khác nhau).

• Ngân hàng trung ương biết cách kiểm tra trạng thái đó.

• Người làm giả sẽ không biết trạng thái chính xác, không thể sao chép qubit, nếu đo sai cách thì  trạng thái bị phá hủy. Vì vậy, tiền giả sẽ tự lộ diện khi kiểm tra.

(Nguồn: https://qsnp.eu/quantum-memories-reach-new-milestone-with-secure-quantum-money-protocol/ )

Quantum Money và Cryptocurrency

• Cryptocurrency được xây dựng trên mật mã học và công nghệ blockchain. Tính an toàn của nó đến từ các thuật toán toán học phức tạp, chữ ký số và cơ chế đồng thuận của mạng lưới phi tập trung. Một đồng tiền mã hóa không thể bị “chi tiêu hai lần” vì mọi giao dịch đều được ghi lại và kiểm chứng công khai. Tuy nhiên, về bản chất, cryptocurrency vẫn dựa vào giả định rằng việc phá vỡ thuật toán là không khả thi về mặt tính toán. Khi máy tính lượng tử đủ mạnh xuất hiện, một số thuật toán mật mã hiện nay có thể đối mặt với rủi ro.

• Ngược lại, quantum money là một ý tưởng mang tính cách mạng hơn về mặt nguyên lý. Nó không dựa vào độ khó tính toán, mà dựa trực tiếp vào các định luật của cơ học lượng tử, đặc biệt là nguyên lý không thể sao chép trạng thái lượng tử. Mỗi “đơn vị tiền” chứa một trạng thái lượng tử bí mật. Người làm giả không thể sao chép trạng thái này, và nếu đo sai cách để tìm hiểu, trạng thái sẽ bị phá hủy. Nói cách khác, quantum money được bảo vệ bởi luật tự nhiên, chứ không phải bởi thuật toán.

(Nguồn: https://www.nature.com/articles/s41534-018-0058-2)

Hiện vẫn là khái niệm nghiên cứu lý thuyết trong quantum cryptography và quantum information. Một số mô hình quantum money công khai và bán công khai đã được đề xuất, nhưng còn nhiều thách thức kỹ thuật.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://www.worldfinance.com/the-econoclast/quantum-money
• https://www.weizmann.ac.il/math/vidick/sites/math.vidick/files/uploads/chapter3.pdf
• https://simons.berkeley.edu/sites/default/files/docs/15588/qmoney-berkeley.pdf
• https://pdf.pirsa.org/files/10010078.pdf

Quantum economics

Quantum economics (kinh tế học lượng tử) là cách tiếp cận liên ngành áp dụng ý tưởng, khái niệm và công cụ của cơ học lượng tử để mô hình hóa hành vi kinh tế và ra quyết định trong những bối cảnh mà các giả định cổ điển (duy lý hoàn hảo, xác suất cổ điển) tỏ ra không đủ. 

Quantum economics không nói kinh tế “là lượng tử”, mà dùng tư duy lượng tử để mô tả tốt hơn sự không chắc chắn, bối cảnh và hành vi phi tuyến của con người.

(Nguồn: https://www.e-elgar.com/shop/gbp/quantum-economics-9781035366804.html)

Những ý tưởng lượng tử được “mượn” sang kinh tế

• Chồng chập (superposition)

Người ra quyết định có thể đồng thời giữ nhiều khả năng/ý định trước khi chọn (không phải đã “chốt” sẵn).

• Giao thoa (interference)

Thông tin mới có thể làm tăng hoặc triệt xác suất một lựa chọn, giải thích các hiệu ứng bối cảnh và nghịch lý hành vi.

• Đo lường (measurement)

Cách đặt câu hỏi/cách đo có thể thay đổi kết quả (hiệu ứng khung, khảo sát, hỏi–đáp).

• Vướng víu (entanglement)

Quyết định của các tác nhân liên kết mạnh hơn mô hình độc lập (chuẩn mực xã hội, kỳ vọng chung).

(Nguồn: https://www.clearias.com/quantum-economy/)

So sánh kinh tế học cổ điển và kinh tế học lượng tử

• Kinh tế học cổ điển và kinh tế học lượng tử khác nhau chủ yếu ở cách mô tả con người và quá trình ra quyết định. Trong kinh tế học cổ điển, con người được giả định là duy lý, nhất quán và có sở thích xác định, vì vậy các lựa chọn được xem là đã tồn tại sẵn và có thể mô tả bằng xác suất cổ điển. Việc quan sát hay đặt câu hỏi chỉ có vai trò ghi nhận, không làm thay đổi quyết định. Cách tiếp cận này phù hợp với các mô hình tối ưu hóa, cân bằng và dự báo trong những bối cảnh ổn định.

• Ngược lại, kinh tế học lượng tử tiếp cận quyết định như một quá trình động, phụ thuộc bối cảnh. Trước khi lựa chọn được “chốt”, cá nhân có thể ở trong trạng thái mơ hồ hoặc chồng chập giữa nhiều khả năng. Cách đặt câu hỏi, trình bày thông tin hay môi trường ra quyết định có thể tác động trực tiếp đến kết quả, tương tự vai trò của phép đo trong cơ học lượng tử. Kinh tế học lượng tử sử dụng các khái niệm như giao thoa và tương quan để giải thích những hiện tượng mà mô hình cổ điển khó xử lý, chẳng hạn hiệu ứng khung, nghịch lý lựa chọn hay sự không nhất quán trong hành vi. Vì vậy, trong khi kinh tế học cổ điển nhấn mạnh chuẩn tắc và tối ưu, kinh tế học lượng tử hướng tới mô tả sát hơn hành vi kinh tế thực tế trong điều kiện bất định.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://www.taxresearch.org.uk/Blog/2025/08/07/quantum-economics-and-its-significance/
• https://armgpublishing.com/journals/sec/volume-8-issue-1/article-5/
• https://chicagounbound.uchicago.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2493&context=law_and_economics
• https://thequantuminsider.com/2024/02/20/quantum-economics-could-a-new-economic-paradigm-be-guided-by-quantum-models/

 

Atomic clock

Atomic clock (đồng hồ nguyên tử) là thiết bị đo thời gian chính xác nhất hiện nay, hoạt động dựa trên tần số chuyển mức năng lượng của nguyên tử (thường là cesium, rubidium hoặc strontium). Thay vì đếm dao động cơ học hay điện tử như đồng hồ thường, atomic clock đếm “nhịp” tự nhiên cực kỳ ổn định của nguyên tử.

Lịch sử đồng hồ nguyên tử

Năm 1945, Tiến sĩ Isidor Isaac Rabi đã đề xuất và phát minh cơ chế cộng hưởng nguyên tử – nền tảng lý thuyết cho đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, vào thời điểm này, ý tưởng mới chỉ dừng ở mức nguyên lý và chưa thể hoàn thiện thành thiết bị đo thời gian thực tế.

NBS-1 Cesium Clock

(Nguồn: https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist)

Bước ngoặt đầu tiên diễn ra vào năm 1949, khi Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST, trước đây là NBS) chế tạo thành công đồng hồ nguyên tử đầu tiên, hoạt động dựa trên chuyển động của phân tử amoniac. Thiết bị này chứng minh rằng việc đo thời gian bằng chuyển mức năng lượng nguyên tử là khả thi và ổn định hơn so với các phương pháp truyền thống.

NBS-2

(Nguồn: https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist)

Đến năm 1955, một cột mốc quan trọng được thiết lập khi Louis Essen và Jack Parry tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL) chế tạo thành công đồng hồ nguyên tử sử dụng nguyên tử cesium-133. Đây là loại đồng hồ có độ chính xác vượt trội và ổn định lâu dài.

NBS-3

(Nguồn: )

Cuối cùng, vào năm 1967, cộng đồng khoa học quốc tế chính thức chọn đồng hồ nguyên tử cesium-133 làm chuẩn xác định đơn vị giây trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI). Cesium-133 được lựa chọn vì là đồng vị ổn định, không phóng xạ, tồn tại tự nhiên, đánh dấu việc thời gian được định nghĩa dựa trên một chuẩn lượng tử tuyệt đối.

Atomic clock  được chế tạo thành công, và là nền tảng đo thời gian chính xác nhất đang vận hành trên toàn cầu hiện nay.

(Nguồn: https://www.thehourglass.com/en-VN/story/bringing-atomic-clocks-into-the-living-room-with-urwerk )

Nguyên lý hoạt động của Atomic Clock

Nguyên lý hoạt động của Atomic Clock (đồng hồ nguyên tử) dựa trên việc khai thác “nhịp chuẩn” cực kỳ ổn định của nguyên tử. Trong tự nhiên, các nguyên tử chỉ cho phép electron tồn tại ở những mức năng lượng rời rạc. Khi electron chuyển giữa hai mức năng lượng xác định, nguyên tử sẽ hấp thụ hoặc phát ra bức xạ ở một tần số cố định, không phụ thuộc vào nơi chốn hay thời gian. Atomic clock sử dụng chính tần số chuyển mức này làm chuẩn đo thời gian.

(Nguồn: https://www.britannica.com/technology/atomic-clock )

Cụ thể, nguyên tử (phổ biến là cesium, rubidium hoặc strontium) được giữ trong môi trường được kiểm soát chặt chẽ. Một nguồn bức xạ (sóng vi ba hoặc laser) được điều chỉnh để kích thích nguyên tử. Khi tần số của nguồn bức xạ trùng khớp chính xác với tần số chuyển mức của nguyên tử, xác suất chuyển mức đạt cực đại. Hệ thống điện tử sẽ phát hiện tín hiệu này và sử dụng vòng phản hồi (feedback) để liên tục điều chỉnh nguồn bức xạ, đảm bảo nó luôn “khóa” đúng vào tần số nguyên tử.

Sau khi khóa ổn định, đồng hồ chỉ việc đếm số dao động của nguồn bức xạ. Với cesium-133, 1 giây được định nghĩa là 9.192.631.770 dao động tương ứng. Nhờ nhịp nguyên tử ổn định và cơ chế tự hiệu chỉnh liên tục, atomic clock đạt độ chính xác vượt xa mọi loại đồng hồ khác.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://www.thegioididong.com/hoi-dap/dong-ho-nguyen-tu-la-gi-nguyen-tac-hoat-dong-cua-d-1187799
• https://www.nist.gov/atomic-clocks/how-do-atomic-clocks-work
• https://www.nasa.gov/missions/tech-demonstration/deep-space-atomic-clock/what-is-an-atomic-clock/
• https://www.britannica.com/technology/atomic-clock
• https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist

Quantum leaps

Quantum leaps (hay quantum jumps, tiếng Việt thường gọi là bước nhảy lượng tử) là hiện tượng trong đó một hệ lượng tử (như electron trong nguyên tử) chuyển từ một mức năng lượng xác định sang mức khác một cách đột ngột, không đi qua các trạng thái trung gian.

(Nguồn: https://www.phrases.org.uk/meanings/quantum-leap.html)

Bản chất vật lý

Electron trong nguyên tử chỉ được phép tồn tại ở các mức năng lượng rời rạc. Khi hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng đúng bằng chênh lệch giữa hai mức:

• electron nhảy lên mức cao hơn, hoặc

• rơi xuống mức thấp hơn (phát photon).

(Nguồn: https://mtsunews.com/quantum-leap/)

Quantum leaps là nền tảng cho nhiều công nghệ hiện đại.

• Quang phổ học (Spectroscopy)

Mỗi bước nhảy phát/thu photon ở năng lượng xác định → vạch quang phổ đặc trưng.

Dùng để nhận diện nguyên tố, phân tích vật liệu, y sinh, môi trường, thiên văn.

• Laser

Laser dựa trên phát xạ kích thích khi electron “nhảy xuống” mức thấp hơn.

Ứng dụng trong y tế (phẫu thuật), viễn thông quang, gia công chính xác, đo lường.

• Đèn huỳnh quang & LED

Electron được kích thích rồi “nhảy” về mức thấp dẫn đến hiệu ứng phát ánh sáng.

Hiệu quả năng lượng cao, ánh sáng ổn định.

• Đồng hồ nguyên tử

Đo tần số chuyển mức cực kỳ ổn định của nguyên tử.

Nền tảng của GPS, viễn thông, chuẩn thời gian quốc tế.

• Công nghệ lượng tử (qubit)

Điều khiển qubit bằng cách kích thích các chuyển mức chính xác.

Dùng trong máy tính lượng tử, cảm biến lượng tử, metrology.

• Thiên văn & vật lý vũ trụ

Phân tích ánh sáng sao/thiên hà để suy ra thành phần hóa học, nhiệt độ, vận tốc.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

•  https://science.nasa.gov/biological-physical/quantum-leaps/
• https://proctorgallagherinstitute.com/whats-a-quantum-leap/
• https://energywavetheory.com/atoms/quantum-leaps/