Para ilmuwan telah mengembangkan cara baru untuk mengendalikan sistem kuantum yang dapat membuat perilaku mereka lebih konsisten dengan waktu yang bergerak mundur dibandingkan maju. Penelitian yang dipublikasikan di Pemeriksaan fisikmemperkenalkan protokol kontrol kuantum yang membentuk kembali “panah waktu” suatu sistem, konsep bahwa waktu secara alami bergerak hanya dalam satu arah. Pendekatan ini pada akhirnya dapat mendukung metode baru untuk mengekstraksi energi dari sistem kuantum dan mempersiapkan keadaan kuantum.
Sistem kuantum, seperti sekelompok qubit, mengikuti aturan mekanika kuantum daripada fisika klasik. Dengan protokol kontrol yang baru dikembangkan, para peneliti dapat menekan kemunculan panah waktu yang biasa terjadi atau bahkan membalikkan arahnya, membuat proses kuantum tampak berjalan mundur. Untuk mendemonstrasikan teknik tersebut, tim juga menciptakan mesin pengukuran yang mampu memanen energi dari melakukan pengukuran kuantum.
“Berbeda dengan fenomena yang kita amati di sekitar kita, pada tingkat mikroskopis, hukum fisika paling mendasar menganggap pergerakan maju dan mundur dalam waktu mungkin terjadi secara fisik,” kata Luis Pedro García-Pintos, fisikawan di Laboratorium Nasional Los Alamos. “Dengan kata lain, hukum fisika ini simetris ketika membalikkan waktu; persamaannya juga berfungsi jika Anda membalikkan waktu. Untuk sistem kuantum, yang beroperasi pada tingkat mikroskopis ini, alat yang kami buat dapat memanipulasi panah waktu yang dirasakan, sehingga menghasilkan cara-cara baru dan mengejutkan untuk mengendalikan sistem kuantum.”
Membalikkan perilaku kuantum dalam waktu rekayasa
Dalam fisika klasik sehari-hari, melakukan pengukuran mempunyai pengaruh yang kecil terhadap objek yang diamati. Sistem kuantum berperilaku sangat berbeda. Mengukurnya secara acak mengubah keadaannya, secara alami menciptakan panah waktu.
Untuk mengatasi efek ini, peneliti menggabungkan pengukuran dengan umpan balik untuk menghasilkan lintasan stokastik yang membalikkan waktu. Hal ini memungkinkan sistem kuantum mengikuti jalur yang tampak konsisten dengan waktu yang mengalir secara terbalik.
Tim mencapai hal ini dengan merancang kontrol Hamiltonian, rangkaian medan dan pulsa yang direncanakan dengan cermat yang mereplikasi efek pengukuran kuantum. Ketika diintegrasikan ke dalam sistem umpan balik, Hamiltonian dapat membatalkan, memperkuat, atau bahkan mengoreksi secara berlebihan gangguan yang disebabkan oleh pengukuran. Dengan demikian, sistem dapat menghasilkan lintasan yang sesuai dengan panah waktu yang memanjang, kabur, atau terbalik.
Versi kuantum dari iblis Maxwell
Karya ini juga mengacu pada eksperimen pemikiran terkenal abad ke-19 yang dikenal sebagai “Iblis Maxwell”. Dalam skenario ini, pengamat hipotetis secara selektif memilah partikel panas dan dingin, yang tampaknya mengurangi entropi dan mempertanyakan hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi secara alami meningkat atau tetap konstan. (Fisika kemudian menunjukkan bahwa hukum kedua tidak dilanggar ketika semua sumber biaya termodinamika dipertimbangkan.)
“Iblis” kuantum tim Los Alamos menggunakan informasi tentang keadaan sistem kuantum dan hasil pengukuran untuk menghasilkan perilaku tidak biasa serupa, membalikkan panah waktu alami sistem.
Mengekstraksi energi dari pengukuran kuantum
Metode kontrol baru juga memungkinkan peneliti memengaruhi cara energi masuk dan keluar sistem kuantum. Kemampuan ini dapat menggerakkan mesin pengukuran berkelanjutan yang akan mengekstraksi energi berguna langsung dari proses pemantauan.
Dalam kerangka ini, pengukuran kuantum menjadi sumber daya termodinamika yang dapat dimanfaatkan untuk melakukan pekerjaan, seperti menggerakkan proses kuantum lain atau menyimpan energi dalam baterai kuantum.
Ke depan, para peneliti berencana untuk mendemonstrasikan secara eksperimental proses pengukuran berbasis Hamilton untuk kontrol umpan balik kuantum menggunakan qubit superkonduktor. Sistem ini mendukung umpan balik yang cepat, penginderaan yang sangat efisien, dan telah digunakan untuk mengimplementasikan setan Maxwell versi kuantum. Penelitian di masa depan juga akan menerapkan teknik baru untuk mengembangkan protokol persiapan keadaan kuantum yang lebih baik.
Pendanaan: Pekerjaan ini didukung oleh Departemen Energi AS, Kantor Ilmu Pengetahuan, program Penelitian Komputasi Ilmiah Tingkat Lanjut, proyek Hukum Beyond Moore dari Program Simulasi dan Komputasi Tingkat Lanjut di Los Alamos, dan National Science Foundation.
