Nobel Fisika 2012: Mengendalikan Partikel dalam Dunia Kuantum



Serge Haroche dan David J. Wineland secara terpisah telah menemukan dan mengembangkan metode terobosan untuk mengukur dan memanipulasi partikel-partikel individu dengan tetap mempertahankan sifat mekanika kuantum yang dimilikinya, yang sebelumnya dianggap tidak bisa dilakukan. Atas hasil kerja mereka itu selama bertahun-tahun, tahun ini Nobel Fisika 2012 dianugerahkan kepada keduanya.
Haroche dan Wineland telah membuka pintu ke arah era baru eksperimen fisika kuantum dengan kesuksesan mereka mendemonstrasikan pengamatan langsung individu sistem kuantum tanpa merusaknya. Melalui metode laboratorium mereka yang tangkas, mereka dapat mengontrol pengukuran dan mengendalikan sebuah keadaan kuantum yang sejatinya adalah keadaan yang sangat peka. Hasil yang telah mereka capai merupakan langkah yang paling awal dalam upaya pembuatan sebuah jenis baru komputer super cepat, yang cara kerjanya didasarkan pada fisika kuantum. Metode tersebut juga telah diterapkan pada pembuatan jam dengan presisi yang sangat tinggi yang dapat dijadikan dasar untuk standar waktu yang baru pada masa depan, dengan presisi yang ratusan kali lipat lebih tinggi daripada jam sesium yang digunakan saat ini.

Sebagaimana kita tahu, bahwa untuk partikel tunggal cahaya atau materi, hukum-hukum fisika klasik tidak dapat berlaku pada partikel-partikel ini. Sebagai gantinya, partikel ini tunduk pada kendali fisika kuantum. Masalahnya adalah, partikel-partikel tunggal kuantum tidak mudah diisolasi dari lingkungan sekitarnya dan partikel-partikel ini akan kehilangan sifat kuantumnya yang misterius begitu mereka berinteraksi dengan dunia luar. Itulah sebabnya banyak fenomena yang tampak sangat asing dan janggal berdasarkan prediksi mekanika kuantum tidak pernah dapat diamati secara langsung. Agar dapat memanifestasikan fenomena-fenomena janggal ini,  fisikawan hanya dapat mewujudkannya melalui “eksperimen dalam pikiran”.

Pemenang nobel fisika tahun 2012 ini keduanya bekerja dalam bidang penelitian optika kuantum yang mempelajari tentang interaksi mendasar antara cahaya dan materi, sebuah bidang kajian fisika yang telah mulai perkembangannya sejak pertengahan tahun 1980-an. Metode yang dikembangkan oleh keduanya pada prinsipnya memiliki banyak kesamaan umum. David Wineland memerangkap atom-atom bermuatan secara listrik, atau ion-ion, mengontrol dan mengukur atom-atom tersebut dengan menggunakan cahaya, atau foton. Sementara, Serge Haroche mengambil pendekatan sebaliknya: Haroche mengontrol dan mengukur foton-foton yang terperangkap, atau partikel-partikel cahaya, dengan mengirimkan atom-atom melalui sebuah perangkap.

Mengatur Ion-ion Tunggal dalam sebuah perangkap

Dalam laboratorium David Wineland di Boulder, Colorado, atom-atom yang bermuatan atau ion-ion dijaga agar tetap berada dalam sebuah perangkap dengan menerapkan medan listrik di sekelilingnya. Partikel-partikel ini diisolasi dari panas dan radiasi dalam lingkungan mereka dengan cara melaksanakan eksperimen ini pada keadaan vakum dengan temperatur yang sangat rendah.

Sketsa eksperimen David Wineland, penerima nobel fisika 2012.
 Salah satu rahasia terobosan Wineland adalah penguasaan teknik pemanfaatan berkas laser dan bagaimana menghasilkan pulsa-pulsa laser. Dalam eksperimennya, sebuah laser digunakan untuk menekan gerak termal ion dalam perangkap, menempatkan ion-ion tersebut pada keadaan energi terendahnya dan dengan demikian memungkinkan mempelajari fenomena kuantum melalui ion-ion yang terperangkap tersebut. Sebuah pulsa laser yang diatur secara hati-hati dapat digunakan untuk membuat ion agar berada dalam sebuah keadaan superposisi, yaitu sebuah keberadaan simultan antara dua keadaan berbeda yang dapat dibedakan. Sebagai contoh, ion dapat dipersiapkan untuk menempati dua tingkat energi yang berbeda secara bersamaan. Ion yang berasal dari sebuah tingkat energi terendah distimulasi secara hati-hati dengan pulsa laser agar berada di tengah-tengah sebuah tingkat energi yang lebih tinggi; sehingga ion tersebut berada di antara kedua tingkat energi ini, dalam sebuah keadaan superposisi keadaan energi, dengan peluang yang sama untuk berada pada kedua tingkat energi ini. Dengan cara ini, sebuah superposisi keadaan kuantum energi ion dapat dipelajari.

Mengatur foton tunggal dalam sebuah perangkap

Serge Haroche bersama kelompoknya menggunakan sebuah metode yang berbeda dalam menyingkap misteri dunia kuantum. Dalam laboratoriumnya di Paris, foton gelombang mikro dipantulkan bolak balik dalam sebuah rongga kecil di antara dua cermin, yang terpisah sejauh kurang lebih 3 cm. Cermin-cermin ini dibuat dari material superkonduksi dan didinginkan hingga temperaturnya mencapai hanya beberapa derajat di atas nol mutlak. Cermin superkonduksi ini merupakan cermin paling mengilap di dunia. Cermin ini memiliki kualitas pantulan yang sangat luar biasa sehingga sebuah foton tunggal dapat dipantulkan bolak balik di dalam rongga selama hampir sepuluh kali dalam waktu satu sekon sebelum foton tersebut hilang atau terserap. Rekaman waktu hidup sepanjang ini berarti bahwa foton akan dapat menempuh jarak 40.000 kilometer, setara dengan perjalanan satu kali mengitari bumi.

Selama waktu hidup foton yang panjang ini, banyak manipulasi kuantum yang dapat dilakukan terhadap foton yang terperangkap tersebut. Haroche menggunakan atom-atom yang telah dipersiapkan secara khusus, yang disebut atom-atom Rydberg (nama seorang fisikawan Swedia Johannes Rydberg) baik untuk mengatur maupun mengukur foton gelombang pendek dalam rongga cerminnya. Sebuah atom Rydberg memiliki jari-jari sebesar sekitar 125 nanometer yang secara kasar 1000 kali lebih besar dari atom-atom yang biasa. Atom-atom Rydberg raksasa yang berbentuk donat ini dikirim ke dalam rongga satu demi satu dengan sebuah kelajuan yang dipilih secara hati-hati, sehingga interaksi antara foton-foton gelombang mikro terjadi dalam sebuah cara yang terkontrol dengan baik.

Atom Rydberg merambat masuk kemudian keluar dari rongga, meninggalkan foton gelombang mikro. Tetapi interaksi antara foton dan atom-atom tersebut sebelumnya telah menghasilkan sebuah perubahan dalam fase kuantum atom: jika Anda membayangkan keadaan kuantum atom-atom sebagai sebuah gelombang, maka puncak dan lembah gelombang ini telah mengalami pergeseran. Pergeseran fase ini dapat diukur saat atom meninggalkan rongga, oleh karena itu hasil pengukuran ini  mengungkapkan keberadaan atau ketiadaan sebuah foton dalam rongga. Tanpa adanya foton, tidak terdapat pergeseran fase. Dengan demikian, Haroche dapat mengukur sebuah foton tunggal tanpa merusaknya. 

Dengan sebuah metode yang hampir sama, Haroche dan kelompok penelitiannya dapat menghitung jumlah foton di dalam rongga, seperti seorang anak menghitung biji manik-manik dalam sebuah wadah. Kedengarannya apa yang telah dilakukannya ini sangat mudah, tetapi sebenarnya memerlukan kemampuan dan keterampilan yang luar biasa tinggi karena foton, tidak seperti manik-manik yang sebenarnya, akan segera rusak begitu berhubungan dengan dunia luar. Berdasarkan teknik penghitungan fotonnya, Haroche dan sejawatnya telah menemukan metode yang dapat mengikuti evolusi sebuah keadaan kuantum individu, langkah demi langkah, yang dapat teramati.

Skema eksperimen Haroche, pemengang nobel fisika 2012

Paradoks Kuantum Mekanik

Kuantum mekanik merupakan penggambaran sebuah dunia mikroskopik yang tak tampak oleh mata telanjang, dimana kejadian-kejadian yang terjadi di dalamnya bertentangan dengan harapan dan pengalaman kita dengan fenomena fisis yang sering kita alami di dunia makroskopis, dunia klasik. Fisika dalam dunia kuantum mengandung ketidakpastian atau keacakan yang inheren dalam dirinya. Salah satu contoh dari perilaku yang bertentangan ini adalah keadaan superposisi, dimana sebuah partikel kuantum dapat berada dalam beberapa keadaan yang berbeda secara bersamaan. Untuk sebuah manik-manik di dunia klasik, kita tidak akan mungkin berpikir bahwa sebutir manik-manik akan berada “di sana” sekaligus “di sini” pada waktu yang bersamaan, tetapi untuk manik-manik dunia kuantum, maka hal tersebut dapat terjadi. Sebuah manik-manik berada “di sana” dan “di sini” sekaligus pada waktu yang bersamaan. Superposisi keadaan manik-manik ini mengemukakan kepada kita secara tepat tentang berapa peluang manik-manik akan berada “di sini” atau “di sana”, jika kita berniat mengukur dimana tepatnya manik-manik tersebut.

Mengapa kita tidak pernah menyadari kondisi aneh dari dunia kuantum ini? Mengapa kita tidak dapat mengamati sebuah superposisi manik-manik kuantum dalam kehidupan sehari-hari kita? Seorang fisikawan Austria dan juga salah seorang pemenang nobel Fisika tahun 1933, Erwin Schrödinger telah bergumul dengan pertanyaan ini. Seperti banyak pionir teori fisika kuantum lainnya, dia telah berjuang untuk memahami dan menginterpretasikan implikasi ini. Di akhir tahun 1952, Schrödinger menulis, “Kita tidak pernah bereksperimen hanya dengan satu elektron atau atom atau molekul yang kecil. Dalam eksperimen pikiran, kadang-kadang kita mengasumsikan bahwa kita telah melakukannya; ini selalu menimbulkan sebuah konsekuensi yang tidak masuk akal...”.

Untuk menggambarkan konsekuensi tidak masuk akal yang dimaksud, jika kita bergerak antara dunia mikro fisika kuantum ke dunia makro sehari-hari, Schrödinger mengilustrasikan sebuah eksperimen dengan seekor kucing:

Kucing Schrodinger, sebuah ilustrasi eksperimen tentang paradoks kuantum oleh Schrodinger. 

Seekor kucing, yang kemudian disebut kucing Schrödinger diisolasi secara sempurna dari dunia luar di dalam sebuah kotak. Kotak tersebut berisi sebuah racun sianida mematikan yang akan menyebar hanya jika sebuah atom radioaktif berhenti meluruh. Atom radioaktif ini juga terdapat dalam kotak. Peluruhan radioaktif diatur oleh hukum-hukum kuantum mekanik, sehingga berdasarkan hal tersebut, unsur radioaktif akan berada pada sebuah keadaan superposisi antara keadaan meluruh dan tidak meluruh. Oleh karena itu, kucing juga akan berada dalam keadaan superposisi antara mati dan hidup. Sekarang, jika kamu membuka kotak untuk mengecek salah satu dari kemungkinan apakah kucingnya mati atau hidup, maka kamu berisiko membunuh kucing itu karena superposisi kuantum sangat peka terhadap interaksi dengan lingkungan luar. Dalam sudut pandang Schrödinger eksperimen pikiran ini menghasilkan sebuah kesimpulan yang absurd, dan konon, belakangan disebutkan bahwa Schrödinger mencoba meminta maaf karena telah menambah kebingungan dalam kuantum.

Kedua pemenang nobel fisika 2012 ini telah dapat memetakan keadaan kucing kuantum pada saat berhubungan dengan dunia luar. Mereka telah menemukan cara eksperimen dan pengaturan yang kreatif untuk menunjukkan secara lebih detail bagaimana kegiatan pengukuran sesungguhnya akan meruntuhkan keadaan kuantum dan menghilangkan karakteristik superposisinya. Bukannya dengan menggunakan kucing Schrödinger, Haroche dan Wineland melakukan penjebakan partikel-partikel kuantum dan menempatkannya dalam sebuah keadaan superposisi seperti yang dialami kucing Schrödinger. Objek-objek kuantum ini bukan benda makroskopis yang sesungguhnya seperti seekor kucing, tetapi toh objek-objek ini masih cukup besar berdasarkan ukuran dunia kuantum.

Dalam rongga Haroche, foton gelombang mikro ditempatkan dalam keadaan seperti kucing Schrödinger dengan fase yang berlawanan pada waktu yang sama, seperti sebuah stopwatch yang jarum penunjuknya bergerak ke arah yang searah dengan arah jarum jam dan bergerak ke arah yang berlawanan dengan arah jarum jam secara bersamaan. Medan gelombang mikro dalam rongga kemudian diamati dengan menggunakan atom-atom Rydberg. Hasilnya adalah efek kuantum lain yang tidak mudah dipahami yang disebut dengan pemerangkapan. Pemerangkapan ini juga telah digambarkan oleh Schrödinger dan dapat terjadi pada dua atau lebih partikel kuantum yang tidak mengalami kontak secara langsung tetapi masih dapat mengetahui dan mempengaruhi karakteristik masing-masing. Pemerangkapan medan gelombang mikro dan atom-atom Rydberg memungkinkan Haroche dapat memetakan kehidupan dan kematian keadaan seperti kucing dalam rongganya, mengikutinya langkah demi langkah, atom per atom, pada saat sistem tersebut mengalami transisi dari superposisi keadaan kuantum ke sebuah keadaan yang dapat terdefenisi dalam fisika klasik.

Tapal batas revolusi jenis baru komputer

Sebuah penerapan yang mungkin dari pemerangkapan ion yang barangkali telah diimpi-impikan oleh para ilmuwan adalah komputer kuantum. Pada komputer yang kita gunakan sekarang ini, satuan informasi terkecilnya adalah satu bit yang dapat bernilai salah satu di antara dua ini: nol atau satu. Dalam komputer kuantum, satuan dasar informasinya adalah satu bit kuantum atau kubit (dari kata qubit, singkatan dari quantum bit) yang dapat bernilai satu atau nol pada saat yang bersamaan. Dua bit kuantum secara serentak dapat memiliki empat nilai: 00, 01, 10 dan 11 dan setiap penambahan bit kuantum akan menggandakan jumlah keadaannya yang mungkin. Untuk n bit kuantum terdapat 2n keadaan yang mungkin, dan untuk sebuah komputer kuantum dengan hanya memiliki 300 bit kuantum akan dapat memiliki 2300 nilai secara serempak, jumlah keadaan ini jauh lebih banyak daripada jumlah atom-atom yang ada di semesta ini.

Kelompok Wineland adalah yang pertama di dunia dalam mendemonstrasikan sebuah operasi kuantum dengan menggunakan dua bit kuantum. Karena operasi pengontrolan telah dapat dilakukan untuk beberapa kubit, maka pada prinsipnya tidak ada lagi alasan untuk tidak mempercayai adanya kemungkinan operasi kuantum dengan menggunakan lebih dari dua bit kuantum. Namun demikian, untuk membuat sebuah komputer kubit seperti itu masih merupakan tantangan praktis yang cukup menantang. Pembuatannya harus memenuhi dua persyaratan yang bertentangan: kubit perlu terisolasi dari lingkungannya agar tidak merusak sifat kuantumnya, tetapi sekaligus harus dapat berkomunikasi dengan dunia luar untuk memberikan hasil perhitungan yang dilakukannya. Mungkin saja pada abad ini komputer kuantum telah akan berhasil dibuat. Jika demikian, akan menjadi tantangan dalam hidup kita pada saat jenis komputer ini melakukan transformasi radikal dalam peri hidup kita seperti halnya saat komputer klasik saat pertama kali telah merevolusi kehidupan kita.

Jam Baru

David Wineland dan tim penelitinya juga telah menggunakan ion-ion yang diperangkap untuk membuat sebuah jam yang ratusan kali lebih teliti dibandingkan dengan jam atomik berbahan dasar atom sesium yang saat ini menjadi standar pengukuran waktu. Pengukuran waktu yang kita lakukan disesuaikan dengan menggunakan satuan jam standar sesium ini. Jam sesium bekerja dalam rentang gelombang mikro sementara jam ion Wineland menggunakan cahaya tampak sehingga diberi nama: jam optik.

Sebuah gambaran jam optik dengan menggunakan dua buah  ion. Satu ion berfungsi sebagai  detak jam, ion yang lain sebagai pembaca detak jam.
Sebuah jam optik hanya terdiri atas satu atau dua ion dalam sebuah perangkap. Dengan dua ion, satu ion digunakan sebagai detak dan ion yang lainnya digunakan untuk membaca detak tanpa merusak keadaan jam tersebut atau menyebabkannya kehilangan sebuah detak. Presisi sebuah jam optik adalah 1 dalam 1017, yang berarti bahwa jika kita telah memulai mengukur waktu pada saat awal semesta ini dalam peristiwa Big Bang 14 miliar tahun yang lalu, jam optik baru mengalami kelambatan sekitar 5 detik saat ini.

Dengan pengukuran waktu yang sangat cermat ini, beberapa fenomena yang sangat peka dan indah dari alam akan dapat diamati, misalnya perubahan aliran waktu, variasi menit gravitasi, sang perajut ruang-waktu. Berdasarkan teori relativitas Einstein, waktu dipengaruhi oleh gerak dan gravitasi. Semakin besar kelajuan dan semakin kuat gravitasi, maka gerak waktu akan melambat. Kita mungkin tidak menyadari efek ini, tetapi sesungguhnya fenomena ini merupakan bagian dari kehidupan sehari-hari kita. Saat kita menjelajah dengan menggunakan GPS kita berada pada sinyal waktu dari satelit dengan jam-jam yang di kalibrasi secara rutin, karena gravitasi sedikit lebih lemah beberapa ratus kilometer di atas permukaan bumi. Dengan sebuah jam optik maka akan memungkinkan mengukur perbedaan waktu pada saat kelajuan jam diubah sebesar kurang dari 10 m/s, atau pada saat gravitasi berubah sebagai akibat dari perbedaan ketinggian yang hanya sebesar 30 cm. 

(sumber: www.nobelprize.org)




Nobel Fisika 2012: Mengendalikan Partikel dalam Dunia Kuantum Nobel Fisika 2012: Mengendalikan Partikel dalam Dunia Kuantum Reviewed by Momang Yusuf on 10/24/2012 09:18:00 PM Rating: 5

4 komentar:

  1. bahasax runtut dan elegan, saya teringat bagaimana Andrea Herata menulis The Rainbow Troops

    BalasHapus
  2. terima kasih ilmux Pak, ditunggu bukux

    BalasHapus

Diberdayakan oleh Blogger.