Para peneliti di Universitas Oxford telah menciptakan superposisi kuantum jenis baru, sebuah fenomena yang sering dikaitkan dengan eksperimen pemikiran kucing Schrödinger yang terkenal. Berbeda dengan versi sebelumnya, keadaan yang baru didemonstrasikan ini dibangun dari komponen kuantum yang sangat non-klasik. Pencapaian ini dapat membantu memajukan komputasi kuantum melampaui sistem biner tradisional, meningkatkan teknologi penginderaan, dan memberikan wawasan baru mengenai dasar-dasar fisika kuantum.
Salah satu ciri mekanika kuantum yang paling mengejutkan adalah bahwa benda dapat berada dalam berbagai keadaan secara bersamaan. Konsep ini umumnya diilustrasikan oleh kucing Schrödinger, kucing hipotetis yang dianggap hidup dan mati sampai diamati.
Meskipun eksperimen pemikiran ini bersifat fiksi, para ilmuwan secara teratur menciptakan superposisi kuantum nyata di laboratorium. Atom, cahaya, dan bahkan gerak dapat ditempatkan pada beberapa keadaan kuantum secara bersamaan. Kemampuan untuk menghasilkan dan mengendalikan keadaan ini sangat penting untuk teknologi seperti komputer kuantum dan jam ultra-presisi.
Contoh umum adalah bit kuantum, atau qubit, yang dapat berada dalam kombinasi 0 dan 1 pada saat yang bersamaan. Namun, sistem kuantum mampu melakukan lebih dari sekadar perilaku dua keadaan.
Osilator harmonik kuantum, yang dapat menempati banyak tingkat energi, menawarkan serangkaian kemungkinan yang lebih kaya. Osilator ini menggambarkan berbagai sistem fisik, termasuk cahaya, getaran, dan gerakan partikel yang terperangkap. Para ilmuwan telah menggunakannya untuk menciptakan berbagai jenis superposisi kuantum. Contoh yang terkenal adalah “keadaan kucing”, di mana osilator ada sebagai superposisi dua paket gelombang yang bergerak berlawanan arah. Paket gelombang ini, yang disebut keadaan koheren, merupakan persamaan kuantum terdekat dengan gerak klasik.
Membangun keadaan kuantum dari komponen non-klasik
Tim Oxford kini telah mendemonstrasikan keluarga superposisi kuantum yang benar-benar baru.
Daripada membangun negara kucing dari paket gelombang negara yang koheren, para peneliti mengembangkan teknik yang menggabungkan berbagai komponen kuantum yang sudah sangat non-klasik. Dalam superposisi keadaan terkompresi, misalnya, ketidakpastian kuantum didistribusikan secara berbeda di setiap bagian keadaan.
Eksperimen ini mengandalkan pergerakan satu ion yang terperangkap. Ion yang terperangkap menggabungkan dua sistem kuantum berbeda dalam satu platform. Keadaan internalnya berperilaku seperti qubit, sedangkan geraknya bertindak seperti osilator harmonik kuantum yang dapat menempati berbagai keadaan gerak. Kombinasi ini membuat ion-ion yang terperangkap sangat berguna untuk menciptakan keadaan kuantum di luar qubit konvensional.
Untuk menghasilkan keadaan baru ini, para peneliti pertama-tama merancang interaksi yang menghubungkan keadaan internal ion dengan kemungkinan keadaan gerak yang berbeda. Mereka kemudian melakukan pengukuran kuantum sirkuit tengah pada keadaan internal, menyebabkan gerakan ion runtuh ke superposisi komponen nonklasik yang diinginkan.
“Pendekatan ini memberi kami alat untuk membentuk superposisi kuantum ke dalam hampir semua bentuk,” jelas penulis utama Dr Sebastian Saner (Departemen Fisika, Universitas Oxford).
Kontrol yang dapat diprogram atas keadaan kuantum eksotis
Metode baru ini memberi tim kendali tingkat tinggi atas keadaan kuantum yang mereka hasilkan.
Dengan menyesuaikan parameter eksperimen, mereka dapat mengubah ukuran relatif, orientasi, dan pemisahan komponen dalam superposisi. Fleksibilitas ini memungkinkan mereka menciptakan berbagai keadaan kuantum bergerak yang tidak biasa menggunakan sistem ion yang terperangkap.
Para peneliti kemudian secara langsung merekonstruksi keadaan kuantum. Pengukuran mereka mengungkapkan pola interferensi dan wilayah negatif Wigner – tanda yang jelas bahwa negara bagian tidak dapat digambarkan sebagai campuran klasik biasa. Pengamatan ini menegaskan bahwa eksperimen tersebut telah berhasil menghasilkan superposisi kuantum sejati yang terdiri dari keadaan gerak yang benar-benar non-klasik.
Tim tersebut sekarang bekerja dengan para ahli teori untuk lebih memahami bagaimana sebenarnya “kuantum” negara-negara yang baru terbentuk ini.
“Kami benar-benar terdorong oleh reaksi rekan-rekan kami ketika kami menunjukkan kepada mereka apa yang telah kami capai. Kami pikir kami masih berada di permukaan dari apa yang mungkin dilakukan, baik untuk penerapan praktis maupun untuk memahami keadaan ini pada tingkat yang lebih mendasar,” kata Dr Raghavendra Srinivas (Departemen Fisika, Universitas Oxford), yang mengawasi pekerjaan tersebut.
Potensi dampak pada komputasi kuantum
Penelitian ini menunjuk pada teknologi kuantum masa depan yang mengandalkan osilator kuantum daripada bit kuantum sederhana.
Komputasi kuantum adalah aplikasi yang sangat menjanjikan. Jenis laporan ini bisa lebih tahan terhadap kesalahan sekaligus mendukung strategi koreksi kesalahan yang lebih sederhana dan efisien. Selain komputasi, mereka menyediakan platform eksperimental baru untuk mempelajari salah satu pertanyaan terbesar dalam fisika: di mana letak batas antara dunia klasik yang kita kenal dan realitas kuantum yang mendasarinya.
