Banyak teknologi kuantum yang paling menjanjikan, termasuk sensor canggih dan komputer kuantum masa depan, bergantung pada fenomena yang dikenal sebagai keterjeratan, yaitu partikel yang menjadi sangat terhubung dan saling mempengaruhi dengan cara yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Menciptakan keadaan rumit yang diperlukan untuk teknologi ini biasanya memerlukan peralatan canggih dan sistem eksperimental yang dirancang dengan cermat.
Para peneliti di Sekolah Teknik Molekuler Pritzker di Universitas Chicago (UChicago PME) kini telah mengusulkan pendekatan yang lebih sederhana. Metode teoretis baru mereka dapat menghasilkan dan mengendalikan berbagai keadaan kuantum terjerat menggunakan alat yang sudah umum di banyak laboratorium fisika kuantum.
Karya tersebut, diterbitkan di Pemeriksaan fisikdapat membantu memajukan penginderaan kuantum yang sangat presisi dan membuka peluang baru untuk eksplorasi fisika fundamental.
“Kami ingin mengambil bahan-bahan sederhana yang ditemukan di banyak platform fisik dan menggabungkannya secara minimal untuk mendapatkan sesuatu yang menarik, kompleks, dan kuat,” kata Aashish Clerk, profesor teknik molekuler di UChicago PME dan penulis utama studi baru ini.
Penelitian ini didukung oleh Q-NEXT, Pusat Penelitian Sains Informasi Kuantum Nasional Departemen Energi (DOE), yang dipimpin oleh Laboratorium Nasional Argonne DOE.
Memikirkan Kembali Sistem QED Rongga
Pendekatan tim ini didasarkan pada elektrodinamika kuantum rongga, yang umumnya dikenal sebagai QED rongga. Dalam percobaan ini, atom atau partikel lain ditempatkan di dalam rongga optik yang terdiri dari dua cermin yang memerangkap cahaya di antara keduanya. Partikel-partikel tersebut kemudian berinteraksi dengan cahaya yang terkurung di dalam rongga.
Keterbatasan banyak sistem QED rongga adalah bahwa semua atom berinteraksi dengan cahaya dengan cara yang persis sama. Karena atom secara efektif tidak dapat dibedakan, kisaran keadaan kuantum yang dapat dihasilkan menjadi terbatas.
“Tantangannya adalah sistem ini memiliki terlalu banyak simetri. Semua atom bereaksi terhadap cahaya dengan cara yang sama,” kata Clerk. “Itu benar-benar membatasi jenis keadaan terjerat yang Anda alami.”
Dalam konfigurasi QED rongga yang khas, setiap atom memiliki keadaan dasar dan keadaan tereksitasi yang dipisahkan oleh perbedaan energi tertentu.
Para peneliti menemukan cara sederhana untuk mengurangi simetri sistem. Meskipun semua atom terus digerakkan oleh laser yang sama, laser atau medan magnet tambahan digunakan untuk menggeser energi keadaan tereksitasi dari kelompok atom yang berbeda. Atom-atomnya disusun sedemikian rupa sehingga masing-masing berpasangan dengan atom lain yang mempunyai energi yang sama tetapi berlawanan.
Modifikasi sederhana ini memungkinkan atom berperilaku berbeda satu sama lain sambil mempertahankan struktur yang cukup agar sistem tetap terkendali dan diprediksi. Dengan memodifikasi atom yang menerima perubahan energi tertentu, para ilmuwan dapat menyesuaikan sistem untuk menghasilkan berbagai keadaan terjerat tanpa mengubah materi fisiknya.
“Anda menyalakan laser ini dan menunggu, dan pada titik tertentu sistem akan menjadi stabil dalam keadaan kuantum yang menarik dan sangat terjerat,” kata Anjun Chu, peneliti pascadoktoral di kelompok Clerk dan penulis pertama karya baru ini. “Hanya dengan menyesuaikan laser, kita dapat mengakses jenis keadaan terjerat yang belum pernah terpikirkan oleh siapa pun sebelumnya.”
Membangun sensor kuantum yang lebih baik
Salah satu kegunaan paling menjanjikan dari pendekatan baru ini adalah penginderaan kuantum.
Secara teori, keadaan kuantum terjerat dapat mendeteksi perbedaan yang sangat kecil dalam medan magnet atau medan gravitasi antar lokasi berbeda. Namun, negara-negara berkembang yang sangat sensitif dan tangguh terhadap kebisingan masih merupakan tantangan besar.
Para peneliti menunjukkan bahwa versi sistem yang mereka usulkan yang berisi dua kelompok atom dapat digunakan untuk mengukur gradien medan. Ketika dua kumpulan atom ditempatkan di lokasi berbeda, keadaan kuantum yang dihasilkan mencerminkan perbedaan antara medan magnet atau gravitasi lokal. Pada saat yang sama, secara alami menolak kebisingan latar belakang yang mempengaruhi kedua lokasi secara setara.
“Anda dapat melakukan dua hal yang biasanya tidak kompatibel satu sama lain: menggunakan keterjeratan untuk membangun sensor yang sangat sensitif, namun juga kuat terhadap kebisingan dalam jumlah besar,” kata Clerk. “Biasanya, keterjeratan sangat rapuh. Pendekatan ini menunjukkan ketahanan yang menakjubkan.”
Keuntungan lainnya adalah informasi yang disimpan dalam keadaan kuantum ini dapat diekstraksi menggunakan teknik pengukuran Ramsey standar, sehingga menghilangkan kebutuhan akan metode pengukuran khusus atau eksotik.
Aplikasi di luar deteksi
Para peneliti juga menunjukkan bahwa platform yang sama dapat menghasilkan keadaan kuantum yang tidak biasa yang telah lama menarik minat para fisikawan.
Salah satu contohnya adalah keadaan AKLT, keadaan banyak benda terjerat yang pertama kali diperkenalkan pada tahun 1980an untuk mendeskripsikan material magnetik yang tidak biasa. Tim menemukan bahwa pengaturannya yang relatif sederhana dapat menstabilkan keadaan ini. Selain membantu para ilmuwan mempelajari sistem magnetik yang kompleks, AKLT Negara juga dapat diterapkan di bidang komputasi kuantum.
Langkah selanjutnya dalam penelitian
Pekerjaan ini masih bersifat teoritis untuk saat ini, namun para peneliti sudah mendiskusikan kemungkinan tes eksperimental dengan kelompok lain.
Mereka juga menyelidiki cara-cara yang lebih canggih dalam menyusun atom-atom dalam sistem dan mengeksplorasi berbagai keadaan kuantum yang mungkin dapat dihasilkan oleh metode mereka.
“Fakta bahwa bahan-bahan sederhana seperti itu dapat menghasilkan keadaan kuantum yang kompleks dan berguna memberi kita harapan bahwa bahkan sebelum kita mencapai impian komputer kuantum serba guna, kita sudah dapat menghasilkan keadaan kuantum yang memungkinkan kita melakukan hal-hal yang tidak dapat kita lakukan di dunia yang murni klasik,” kata Clerk.
Materi ini didasarkan pada pekerjaan yang didukung oleh Pusat Penelitian Nasional Ilmu Informasi Kuantum Departemen Energi AS, sebagai bagian dari Q-NEXT Center.
