Kebijaksanaan fisika klasik terkadang bisa terdengar sangat sederhana. Ambil contoh, anggapan bahwa instrumen observatorium sains yang lebih besar pasti lebih unggul. Namun, ada prinsip lain yang sering kali luput dari perhatian peneliti, meskipun memiliki tingkat kesuksesan yang mengagumkan: Ketika sebuah aturan tak dapat dilanggar, jangan dilawan. Carilah jalan memutarnya.
Dalam sebuah makalah Science Advances yang terbit hari ini, para fisikawan melakukan hal persis demikian. Mereka menemukan cara untuk mengakali prinsip ketidakpastian Heisenberg—sebuah aturan fundamental yang mengatur sifat elusif partikel kuantum—untuk mencapai “Zona Goldilocks” dalam ketidakpastian. Zona ini memungkinkan ilmuwan mengambil hanya informasi paling relevan dari suatu sistem kuantum. Pendekatan praktis ini berpotensi besar memajukan bidang sensor kuantum untuk navigasi, kedokteran, atau astronomi, menurut para peneliti.
“Kami benar-benar memanfaatkan konsep memindahkan ketidakpastian ke area lain,” ujar Christophe Valahu, penulis utama studi dan fisikawan dari University of Sydney di Australia, kepada Gizmodo melalui panggilan video.
Valahu menjelaskan, ibaratkan partikel berada pada sebuah penggaris, pendekatan baru ini tidak berusaha mengukur posisi atau momentum pastinya. Alih-alih, idenya adalah mengukur apa yang disebut posisi modular dan momentum modular partikel, yang merupakan “variabel berbeda yang memberikan informasi yang kurang lebih serupa,” katanya.
Mengakali Heisenberg
Prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang diperkenalkan oleh fisikawan bernama sama pada 1927, menetapkan bahwa mustahil untuk menentukan secara presisi dua besaran sekaligus—yaitu posisi dan momentum. Singkatnya, ada kompromi antara keduanya yang muncul sebagai perilaku fundamental dalam pengukuran mekanika kuantum.
Pendekatan baru ini pada dasarnya “mendistribusikan ulang ketidakpastian dengan cara yang menguntungkan kita,” ujar Valahu. Ia mengorbankan informasi skala “lebih besar dan global”—seperti posisi dan momentum aktual partikel—untuk memperoleh gambaran lebih tajam tentang perubahan-perubahan kecil dalam posisi dan momentum partikel. Informasi yang terakhir ini jauh lebih relevan untuk sensor kuantum, yang bergantung pada aturan mekanika kuantum untuk mendeteksi dan melacak sinyal-sinyal sangat kecil.
Perkawinan Kuantum
Untuk memvalidasi ide ini, tim menggandeng ahli komputasi kuantum untuk mengembangkan protokol berdasarkan pendekatan mereka dan sebuah makalah tahun 2017 yang menggariskan strategi serupa. Hasilnya, para peneliti berhasil menciptakan “sistem kuantum terrekayasa” yang terinspirasi oleh sensor kuantum dan komputasi kuantum, menurut Valahu.
“Komputasi kuantum dan sensor kuantum adalah dua sisi dari koin yang sama,” kata Valahu. “Satu berusaha menghilangkan noise; yang lain berusaha mengukur noise atau suatu sinyal. Secara teori, semakin baik Anda dapat mengukur sinyal, semakin baik pula Anda dapat mengoreksi noise. Jadi keduanya sering berjalan beriringan.”
Co-author Tingrei Tan (kiri) dan mahasiswa PhD-nya Vassili Matsos berpartisipasi dalam eksperimen lain yang menggunakan ide dari makalah tersebut pada sistem kuantum nyata. Kredit: Fiona Wolf/University of Sydney
Secara spesifik, mereka ingin melihat apakah teknik sensing baru ini dapat membantu peneliti membedakan sinyal-sinyal kecil di tengah noise yang memicu error dalam komputer kuantum. Hasilnya menggembirakan, mereka berhasil mengukur posisi modular dan momentum modular dari sebuah ion yang terperangkap di dalam komputer kuantum tersebut.
“Ini adalah cara pandang yang sangat berbeda secara fundamental terhadap sensor kuantum—dengan menggunakan kode-kode koreksi error kuantum yang tradisional untuk keperluan sensing kuantum,” jelas Valahu. “Kami yakin ini adalah teknologi yang memungkinkan [yang dapat] melahirkan lebih banyak teknologi metrologi [dan mengubah] cara kita melakukan sensing saat ini.” Dengan “teknologi metrologi,” Valahu merujuk pada kajian ilmiah tentang pengukuran dan berbagai alat yang digunakan untuk melakukan pengukuran presisi.
Literatur tentang teknologi kuantum berkembang dengan kecepatan yang mencengangkan. Ini adalah waktu yang tepat untuk mengeksplorasi bagaimana bidang-bidang berbeda dapat bersatu menciptakan solusi inovatif, pungkas Valahu. Banyak peluang bermunculan, dan sulit untuk fokus pada satu hal saja—namun tidak diragukan lagi kita hidup di era yang menarik untuk segala hal terkait kuantum.