Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Bisakah Kita Membangun Jam Kuantum yang Sepenuhnya Kuantum?

Jam bisa mendapatkan pembaruan kuantum, Kredit: Stok Berkualitas / Foto Stok Alamy
. Jam kuantum biasanya dikendalikan oleh sistem kontrol klasik, tetapi untuk membangun hal-hal seperti drone kuantum kecil yang terbang di sekitar mengirimkan molekul, kita memerlukan pendekatan kuantum sepenuhnya.

Jam mengatur hidup kita, mendikte kapan kita tidur dan bangun, apakah kita mengejar penerbangan pulang dan siapa yang memenangkan banyak uang di Wall Street. Dan seperti jam mengatur kita, mereka mengatur perangkat kuantum.

Ambil komputer kuantum . Bagian dasar dari melakukan perhitungan apa pun adalah menjalankan tugas tertentu pada waktu tertentu. Sistem kontrol klasik eksternal menjaga waktu untuk komputer kuantum saat ini, tetapi sistem kontrol yang dapat beroperasi sepenuhnya dalam ranah kuantum akan membuka kemungkinan baru. Dengan membebaskan imajinasi kita, kita mungkin membayangkan drone kuantum kecil yang dapat mengotak-atik atau mengirimkan molekul. Mesin otonom seperti itu harus membawa jam mereka sendiri dan jam itu juga harus kuantum untuk mencegah mesin kehilangan karakter kuantumnya. Misalnya, teknologi kuantum mendapat manfaat dari keterjeratan, korelasi kuat yang menyinkronkan partikel kuantum. Semakin banyak drone kuantum berinteraksi dengan perangkat biasa, semakin banyak keterikatan yang bisa hilang.

Pertanyaannya adalah, dapatkah kita membangun jam kuantum seperti itu yang akan melakukan pekerjaan itu?

Sebelum kita masuk, saya harus mengklarifikasi bahwa jam kuantum otonom tidak sama dengan apa yang disebut jam atom yang dapat Anda beli di toko. Kakek-nenek saya membeli "jam atom" seperti itu dan menggantungnya di dapur mereka, tetapi jam mereka akan lebih tepat disebut "jam yang dikendalikan radio". Setiap hari, jam menerima sinyal radio dari pos terdepan Colorado dari Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST), menyinkronkannya dengan jam yang sangat akurat yang dioperasikan oleh NIST.

Jam NIST adalah jam atom yang sebenarnya – jam kuantum, tetapi jam yang pengontrolnya tidak ada sepenuhnya di alam kuantum. Jam atom mengandung atom-atom yang hanya dapat menyerap sejumlah energi tertentu dalam paket-paket terpisah – seperti seseorang yang bisa makan satu bungkus keripik tapi tidak setengah bungkus. Sebuah laser menyinari atom, dan pengontrol eksternal mengukur berapa banyak atom yang, bisa dikatakan, memakan paket renyah dari laser. 

Jika banyak atom memiliki, maka cahaya laser terdiri dari partikel dengan jumlah energi yang tepat – jumlah yang dapat dihitung dengan teori kuantum. Selain terdiri dari partikel, cahaya memiliki sifat seperti gelombang dan, dalam arti tertentu, berosilasi ke atas dan ke bawah. Waktu antara osilasi adalah sepersekian detik yang dapat dihitung, yang didefinisikan dalam energi yang dapat diserap atom. Jadi kami mengukur satu detik dengan menunggu sinar laser berosilasi beberapa kali. Pengontrol yang mengukur energi atom bukanlah kuantum, jadi jam atom bukanlah satu-satunya jam yang kita perlukan untuk zaman steampunk kuantum.

Perintis fisika kuantum Wolfgang Pauli menghabiskan waktu di tahun 1920-an untuk memikirkan jam kuantum, di antara banyak hal lainnya. Ketertarikan Pauli meluas dari fisika kuantum hingga psikologi dan filsafat, dan namanya sekarang dikaitkan dengan prinsip pengecualian Pauli yang mengatur bagaimana elektron berorganisasi dalam atom. Dia memahami konsep sederhana namun mendasar - dan apa itu waktu, jika tidak mendasar?

Pauli menunjukkan bahwa jam kuantum yang ideal memiliki waktu yang "dapat diamati". Dapat diamati adalah nama fisika untuk sifat terukur dari sistem kuantum. Contoh yang dapat diamati meliputi energi, posisi, dan momentum. Waktu jam kuantum ideal yang dapat diamati memiliki nilai yang terdefinisi dengan baik. Bagaimana bisa yang bisa diamati tidak memiliki nilai yang terdefinisi dengan baik? Bagaimanapun, Anda memiliki energi, posisi, dan momentum yang terdefinisi dengan baik. Tapi posisi kuantum dan momentum berpartisipasi dalam hubungan ketidakpastian. Jika partikel kuantum memiliki posisi yang terdefinisi dengan baik, partikel tersebut tidak memiliki momentum yang terdefinisi dengan baik; dalam istilah kuantum, partikel berada dalam superposisi dari semua momentum yang mungkin. Jika Anda mengukur momentum, detektor Anda dapat membaca angka positif apa pun, angka negatif apa pun, atau nol. Analog dengan posisi partikel yang terdefinisi dengan baik adalah waktu ideal jam kuantum yang terdefinisi dengan baik; jam tidak akan berada dalam superposisi berkali-kali.

Tetapi waktu dan energi berpartisipasi dalam hubungan ketidakpastian yang serupa dengan posisi dan momentum. Jadi sistem kuantum dengan waktu yang ditentukan dengan baik akan berada dalam superposisi dari semua energi yang mungkin. Selain itu, superposisi akan tersebar merata di semua energi yang mungkin: jika Anda mengukur energi jam, probabilitas Anda untuk mendapatkan satu hasil yang mungkin akan sama dengan kemungkinan Anda untuk mendapatkan hasil lain yang mungkin.

Energi negatif tanpa batas

Pauli membuktikan secara matematis bahwa tidak ada sistem kuantum yang memiliki waktu yang dapat diamati. Jika suatu sistem melakukannya, ia bisa memiliki jumlah energi negatif yang tak terhingga. Memiliki jumlah energi negatif yang tak terbatas tidak mungkin di dunia kita. Jadi, menurut mekanika kuantum , dunia kita tidak mengakomodasi waktu yang dapat diamati – atau jam kuantum yang ideal.

Untungnya, kita tidak memerlukan jam kuantum yang ideal – jam kuantum yang cukup baik bisa jadi, cukup baik. Bagaimana menggambar bentuk bulat di selembar kertas bisa mendekati lingkaran, demikian juga jam kuantum bisa mendekati yang ideal. Dan tiga rekan saya – Jonathan Oppenheim, Mischa Woods dan Ralph Silva – telah berhasil merancang jam kuantum seperti itu.

Seperti yang dijelaskan Jonathan dan Mischa kepada saya ketika saya mengunjungi mereka di London pada suatu musim semi, jam teoretis mereka mendekati keadaan waktu ideal, superposisi tersebar merata di semua energi. Superposisi mereka tersebar tidak merata dalam pola tertentu: jika Anda mengukur energi jam, Anda lebih mungkin untuk mendapatkan beberapa hasil daripada yang lain. Jadi energi jam masih belum pasti, hanya belum tentu tidak pasti. Oleh karena itu, jam tidak melanggar hukum fisika la Pauli.

Apalagi jamnya cukup stabil. Membaca jam kuantum tidak seperti membaca jam klasik. Tindakan menggunakannya untuk menentukan waktu akan memicu fenomena kuantum yang berlawanan dengan intuisi: gangguan pengukuran. Anda dapat mengamati jam setiap hari tanpa mempengaruhi waktu yang dilaporkan, seperti halnya seorang petugas polisi dapat mencatat kecepatan mobil Anda tanpa Anda sadari (karenanya adanya tilang). Tetapi sistem kuantum lebih rumit daripada sistem sehari-hari. Jika Anda mengukur sistem kuantum – atau berinteraksi dengannya dengan cara lain – Anda mengganggunya, mengubah keadaannya. Jika Anda mengukur energi sistem, kemungkinan besar Anda akan mengubah energinya.

Membaca waktu di luar jam kuantum tidak akan mengganggu ketepatan waktu jika jamnya ideal. Tetapi jam yang tidak sempurna akan menurun seiring penggunaan, mengurangi kemampuan kita untuk membedakan instan. Anda mungkin juga melihat jam kakek melalui kacamata yang semakin kabur: jam 6 akan menyatu menjadi 5,59 dan 6,01, lalu menjadi 5,58 dan 6,02. Gangguan juga menghalangi kemampuan jam untuk memulai proses, seperti gerbang logika dalam perhitungan, pada waktu yang diinginkan.

Seberapa baik jam Mischa, Ralph, dan Jonathan dapat bertahan dari gangguan seperti itu? Tidak terlalu buruk, bisa dibilang, jika menyalurkan rekan-rekan saya yang berbasis di Inggris. Bayangkan menumbuhkan jam – menambahkan partikel ke dalamnya, meskipun tidak terlalu banyak partikel sehingga jam kehilangan sifat kuantumnya. Semakin besar jam, semakin besar ketahanannya. Dan memberi sedikit memberi Anda banyak: seiring bertambahnya waktu, ketahanannya tumbuh secara eksponensial.

Sejauh ini, sifat seperti itu tetap teoretis, dan para ilmuwan kesulitan untuk membangun bahkan komputer kuantum yang dikendalikan secara eksternal, apalagi yang otonom. Tetapi kontrol eksperimen atas sistem kuantum telah berkembang pesat selama tiga dekade terakhir dan tidak menunjukkan tanda-tanda melambat. Akankah jam otonom memungkinkan komputer kuantum dan mesin lain beroperasi secara independen? Apakah diukur pada jam kuantum atau jam sehari-hari, waktu akan memberi tahu.