Penghargaan Nobel Fisika 2012: Partikel Kontrol dalam Dunia Kuantum

Serge Haroche dan David J. Wineland secara  independen telah menemukan dan mengembangkan metode untuk mengukur dan memanipulasi partikel individu sambil menjaga sifat mekanika  kuantum mereka dengan cara yang sebelumnya dianggap tak terjangkau.

Penghargaan Nobel dalam Fisika untuk tahun 2012 telah diberikan -Metode terobosan eksperimental yang memungkinkan pengukuran dan manipulasi sistem kuantum individu.” (Kredit: iStockphoto / Karl Dolenc)

Entah itu komunikasi yang aman melalui teleportasi partikel atau kemampuan komputasi supercepat, mekanika kuantum, dunia yang membingungkan, yang kecil dari yang terkecil, telah berada di garis depan fisika modern. Tapi ini teknologi masa depan ini tidak akan dapat dicapai – tidak ada diantaranya yang akan bahkan bisa diuji – tanpa terobosan yang telah dicapai oleh pemenang hadiah Nobel fisika tahun ini.

Para pemenang Nobel telah membuka pintu ke era baru percobaan fisika kuantum dengan menunjukkan pengamatan langsung dari partikel kuantum individu tanpa menghancurkan mereka. Untuk partikel tunggal cahaya,  hukum fisika klasik tidak lagi berlaku dan fisika kuantum mengambil alih. Tapi partikel tunggal tidak mudah terisolasi dari lingkungan sekitar mereka dan mereka kehilangan sifat kuantum mereka yang misterius segera setelah mereka berinteraksi dengan dunia luar. Dengan demikian fenomena yang tampaknya aneh yang diprediksi oleh fisika kuantum tidak bisa langsung diamati, dan peneliti hanya bisa melakukan eksperimen khayalan dalam mewujudkan prinsip fenomena aneh ini

Untuk memahami ketidakpastian kuantum, dimulai dengan Kucing Schrödinger. Kucing khayalan ini berada di dalam sebuah kotak yang memunkinkan dua keadaan terjadi sekaligus pada saat yang bersamaan:  baik mati dan hidup. Tapi segera setelah Anda membuka kotak, yang berarti segera setelah Anda membuat pengukuran terhadap keadaan tersebut, hanya akan mendapatkan satu keadaan, yaitu kucing hidup atau mati. Pengukuran memaksakan satu  pilihan, yang setara dengan perubahan dalam sistem kuantum..

Melalui metode laboratorium cerdik mereka, Haroche dan Wineland bersama-sama dengan kelompok penelitian telah berhasil mengukur dan mengendalikan keadaan kuatum yang  sangat rapuh, yang sebelumnya dianggap tidak dapat diakses untuk pengamatan langsung. Metode baru ini memungkinkan mereka untuk memeriksa, mengontrol dan menghitung partikel.

Dave Wineland dan perangkap Laser- Fisikawan NIST David Wineland menyesuaikan sinar laser ultraviolet yang digunakan untuk memanipulasi ion dalam alat vakum tingkat tinggi yang terdiri atas “perangkap ion.” Perangkat ini telah digunakan untuk menunjukkan operasi dasar yang dibutuhkan untuk sebuah komputer kuantum – yang memenangkan Wineland dan fisikawan kuantum Serge Haroche sebagai penerima Hadiah Nobel. Hak Cipta Geoffrey Wheeler / NIST

Metode mereka sangat mirip, namun mereka menggunakan teknik yang berbeda: Wineland membuat perangkap ion dan mengukurnya dengan cahaya atau foton, sedangkan Haroche membuat perangkap foton dan mengukurnya dengan atom

Serge Haroche dan Experiment Rongga: Haroche (kanan) dan asistennya Igor Dotsenko menyiapkan eksperimen rongga.
The French National Center for Scientific Research. Christophe Lebedinsky/CNRS

Wineland adalah yang pertama menggambarkan dan menunjukkan pendinginan ion yang terjebak, yang mana ion tersebut bermuatan listrik atom di dalam ruang hampa. Dia membuat mereka terperangkap dengan atom bermuatan positif sekitarnya dalam medan listrik. Lalu ia menyinarkan sinar laser ke mereka, yang secara efektif mendorong mereka, memperlambat mereka turun. (semakin lambat berarti semakin dingin.) “Setelah mereka dingin, sangat penting mengendalikan mereka; ketika mereka benar-benar dingin, Anda dapat melakukan hal-hal yang menarik dengan mereka,” kata Phillips. Berikut adalah beberapa contoh:

1. Jam Yang Sangat Tepat

Setiap jam membutuhkan ticker untuk menghitung maju dalam waktu, dan ticker terbaik adalah atom itu sendiri, bahkan yang lebih baik adalah atom tunggal, sendirian dan tidak terganggu oleh hal-hal lain. NIST mengkhususkan diri dalam membangun jam atom, dan perangkap Wineland ini telah digunakan untuk membuat jam yang paling akurat yang pernah ada. “Dia mampu membuat sebuah jam yang sangat baik – itu adalah jam terbaik yang pernah dibuat – jika itu beroperasi selama jangka waktu yang panjang, hanya akan bertambah atau berkurang  satu detik selama  3 milyar tahun,” kata Phillips . “Ini adalah apa yang kita sebut ‘cukup dekat untuk pekerjaan pemerintah,'” tambahnya sambil tertawa. Jam yang sangat akurat ini telah digunakan untuk mengukur teori relativitas Einstein dan efek gravitasi pada berlalunya waktu.

Metode yang ditemukan dua orang itu juga memungkinkan pembuatan jam yang 100 kali lebih akurat mengukur waktu daripada jam-jam Cesium yang menjadi patokan saat ini.

Jam cesium

2.  Dua Tempat Sekaligus

Sinar laser juga dapat digunakan untuk menempatkan ion dalam keadaan superposisi – seperti kucing Schrödinger, dapat berada di dua keadaan yang berbeda sekaligus. Metode Wineland ini menempatkan ion menjadi dua tingkat energi yang berbeda. Ini dimulai pada keadaan rendah energi dan pulsa laser yang hanya menyenggol ( hampir-tapi-tidak-cukup) menuju keadaan energi yang lebih tinggi. Dengan cara ini, Halfbreed terjebak antara dua tingkat, dalam keadaan superposisi energi.

“Dave mungkin akan mengatakan itu adalah kucing Schrödinger, atau kucing embrio. Tapi itu jenis hal yang menunjukkan sesuatu  yang begitu aneh tentang mekanika kuantum, “kata Phillips. “Itu hanya mungkin karena kemajuan yang dibuat Dave.”

Untuk bagiannya, Haroche menggunakan rongga microwave untuk perangkap foton, yang merupakan partikel cahaya. Kemudian ia menggunakan atom untuk mengukur apa yang mereka lakukan. Foton akan mendorong perubahan di keadaan energi atom, sehingga memberikan informasi tentang foton. Ini disebut keterkaitan kuantum, apapun yang terjadi pada foton, terjadi pula pada atom, juga memungkinkan Haroche untuk mempelajari transisi mereka dari waktu ke waktu tanpa benar-benar mengukur mereka secara langsung. Jika Anda mencoba untuk melihat foton dengan jenis detektor apapun, itu tidak akan mungkin, Phillips menjelaskan.

“Ketika Anda melakukan itu, maka detektor akan ‘memakan’ foton. Mereka sudah pergi. Apa yang Haroche lakukan adalah menempatkan mereka dalam rongga, pastikan mereka ada di sana, dan mengirim atom masuk. Cahaya akan terlihat – itu benar-benar microwave – dan intensitas tertentu tersebut microwave. Atas dasar intensitas itu, atom dapat mulai mengubah keadaan kuantum. “

Peralatan Penangkap Ion: Ini adalah foto komposit suatu alat microwave yang digunakan dalam percobaan komputasi kuantum NIST. Sepasang ion yang yang terperangkap oleh medan listrik dan dimanipulasi dengan microwave di dalam ruang kaca di tengah alat tersebut. Ruang ini diterangi oleh dioda pemancar cahaya hijau untuk efek visual. Sebuah sinar laser ultraviolet yang digunakan untuk mendinginkan ion dan mendeteksi mereka keadaan kuantum yang terlihat berwarna biru. Y. Colombe / NIST

3. Logika Kuantum

Pengenaan superposisi juga merupakan dasar dari gerbang kuantum, yang merupakan unsur penting dalam komputer kuantum, catat Phillips. Kelompok Wineland adalah yang pertama  menunjukkan operasi kuantum dengan dua bit kuantum. Suatu hari, hal ini dapat digunakan untuk membuat sebuah komputer kuantum yang bebas dari perangkap kode biner. Jangankan satu atau nol, kuantum bit adalah keduanya, baik nol dan satu. Dua qubit dapat menciptakan empat hal sekaligus – 00,01,10,11 – dan seterusnya, sampai Anda mencapai sebuah komputer 300-qubit yang dapat menahan keadaan lebih mungkin daripada semua atom yang ada di alam semesta ini

Dalam komputer kuantum, satu bit kuantum (quantum bit atau qubit) berada pada kondisi superposisi, yang artinya bisa bernilai 1 dan 0 pada saat bersamaan. Hal itu memungkinkan peningkatan dramatis pada kemampuan memproses dan menyimpan data.

Haroche juga dapat membangun sistem kuantum yang mana  keadaan awalnya tidak diketahui. Hal ini sangat penting untuk komputer kuantum dan kriptografi. Anda dapat memulai dengan nomor foton yang belum ditentukan dan membuat serangkaian pengukuran, sengaja menyebabkan perubahan pada sistem dan mempersempit kisaran foton yang mungkin bisa tertebak berada di sana. Pengukuran sekunder, mungkin dengan menggunakan atom dari kecepatan yang berbeda, akan memberikan wawasan lebih lanjut dan memberitahu Anda berapa banyak yang ada dan apa yang mereka lakukan. “Apa yang Anda lakukan berdasarkan pengukuran itulah yang membuatnya terpilih, pilih mana yang itu,” kata Phillips. “Kau memaksa alam untuk memilih, dari kemungkinan yang berbeda bahwa itu melekat di dalamnya, yang akan menjadi satu.”

John Haynes, wakil presiden penerbitan untuk American Institute of Physics, kata Haroche dan Wineland telah melakukan beberapa penelitian yang paling berpengaruh dalam fisika modern. “Mekanika kuantum dulunya hanya teori dan filsafat, tetapi melalui kerja dan penelitian yang sedang berlangsung, kita sekarang menguji, memanipulasi, membangun prinsip-prinsip ilmiah,” katanya.

Well. selamat dan terimakasih untuk Pak Serge Haroche dan Pak David Wineland…

Semoga melaui terobosan ini dapat memajukan peradaban dunia.

Source:

ScienceDaily

PopSci

Kompas

 

 

 

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s