Protokol dapat mempermudah pengujian sifat kuantum objek besar – Dunia Fisika

Sebuah protokol untuk menguji sifat kuantum benda-benda besar – yang, pada prinsipnya, dapat digunakan pada benda-benda bermassa berapa pun – telah diusulkan oleh para peneliti di Inggris dan India. Fitur utama dari protokol ini adalah menghindari kebutuhan untuk membuat keadaan kuantum makroskopis untuk menguji apakah mekanika kuantum valid atau tidak dalam skala besar. Namun, beberapa fisikawan tidak yakin bahwa penelitian ini merupakan kemajuan yang signifikan.

Mekanika kuantum melakukan pekerjaan luar biasa dalam mendeskripsikan atom, molekul, dan partikel subatom seperti elektron. Namun, objek yang lebih besar biasanya tidak menampilkan perilaku kuantum seperti keterjeratan dan superposisi. Hal ini dapat dijelaskan dalam istilah dekoherensi kuantum, yang terjadi ketika keadaan kuantum halus berinteraksi dengan lingkungan yang bising. Hal ini menyebabkan sistem makroskopik berperilaku sesuai dengan fisika klasik.

Bagaimana mekanika kuantum diuraikan pada skala makroskopis tidak hanya menarik secara teori tetapi juga penting dalam upaya mengembangkan teori yang menyelaraskan mekanika kuantum dengan teori relativitas umum Albert Einstein. Oleh karena itu, fisikawan tertarik mengamati perilaku kuantum pada objek yang semakin besar.

Tantangan yang berat

Menciptakan keadaan kuantum makroskopis dan mempertahankannya cukup lama untuk mengamati perilaku kuantumnya merupakan tantangan berat ketika berhadapan dengan objek yang jauh lebih besar daripada atom atau molekul yang terperangkap. Memang benar, keterikatan kuantum pada kepala drum makroskopis yang bergetar (masing-masing berukuran 10 mikron) oleh dua kelompok independen – satu di AS dan satu di Finlandia – dipilih sebagai Fisika Dunia terobosan tahun 2021 untuk kehebatan eksperimental tim.

Protokol baru ini terinspirasi oleh ketidaksetaraan Leggett-Garg. Ini adalah modifikasi dari ketidaksetaraan Bell, yang menilai apakah dua objek terjerat secara mekanis kuantum berdasarkan korelasi antara pengukuran keadaannya. Jika ketidaksetaraan Bell dilanggar, maka pengukuran akan berkorelasi dengan sangat baik sehingga, jika keadaannya independen, informasi harus bergerak lebih cepat daripada cahaya antar objek. Karena komunikasi superluminal dianggap mustahil, pelanggaran ditafsirkan sebagai bukti keterikatan kuantum.

Pertidaksamaan Leggett-Garg menerapkan prinsip yang sama pada pengukuran berurutan pada benda yang sama. Properti objek pertama-tama diukur sedemikian rupa sehingga – jika objek tersebut merupakan objek klasik (non-kuantum) – bersifat non-invasif. Nanti dilakukan pengukuran lain. Jika benda tersebut merupakan entitas klasik, maka pengukuran pertama tidak mengubah hasil pengukuran kedua. Namun, jika objek ditentukan oleh fungsi gelombang kuantum, tindakan pengukuran akan mengganggu objek tersebut. Hasilnya, korelasi antara pengukuran yang berurutan dapat mengungkapkan apakah suatu benda mematuhi mekanika klasik atau kuantum.

Nanokristal berosilasi

Pada tahun 2018, fisikawan teoretis Sougato Bose di University College London dan rekannya mengusulkan untuk melakukan pengujian pada nanokristal dingin yang berosilasi bolak-balik dalam perangkap harmonik optik. Posisi nanokristal akan ditentukan dengan memfokuskan berkas cahaya pada satu sisi perangkap. Jika cahaya melewatinya tanpa hamburan, benda tersebut berada di sisi lain perangkap. Dengan mengamati sisi jebakan yang sama nanti, kita dapat menghitung apakah pertidaksamaan Leggett-Garg dilanggar atau tidak. Jika ya, jika objek tersebut tidak terdeteksi pada awalnya, keadaan kuantumnya akan terganggu, sehingga nanokristal akan menampilkan perilaku kuantum.

Masalahnya, kata Bose, massa harus diukur dua kali pada sisi perangkap yang sama. Hal ini hanya berlaku untuk massa dengan periode osilasi pendek karena keadaan kuantum harus tetap koheren sepanjang pengukuran. Namun, peminat dalam jumlah besar akan memiliki periode yang terlalu lama agar hal ini dapat berhasil. Kini, Bose dan rekannya mengusulkan agar pengukuran kedua dilakukan di lokasi yang, jika benda tersebut mematuhi mekanika klasik, diperkirakan akan tercapai.

“Jauh lebih baik untuk pergi ke tempat yang dituju karena osilasi normalnya dan mencari tahu seberapa besar perbedaannya di tempat itu,” kata Bose.

Manfaat dari skema ini adalah, selama benda tetap dalam keadaan koheren, percobaan dapat dilakukan pada benda bermassa berapa pun karena selalu memungkinkan untuk menghitung posisi yang diharapkan dari osilator harmonik klasik. Memang menjadi lebih sulit untuk mengisolasi objek yang lebih besar, namun Bose percaya bahwa keadaan yang tampaknya klasik ini akan lebih tahan terhadap kebisingan dibandingkan keadaan kuantum makroskopis yang eksotis seperti superposisi.

Evolusi sistem pelacakan

Fisikawan kuantum Vlatko Vedral dari Universitas Oxford setuju bahwa pendekatan para peneliti dapat menawarkan manfaat dibandingkan eksperimen yang mencoba menggunakan keadaan kuantum makroskopis yang terpisah secara spasial. Namun, ia mengatakan bahwa “yang menjadi penting dalam pengukuran ini bukanlah keadaan awal melainkan urutan pengukuran yang Anda lakukan,” dan bahwa melacak evolusi sistem setelah pengukuran pertama sehingga korelasinya terungkap “tidaklah penting. masalah sepele sama sekali”.

Bagaimana mengukur perilaku kuantum dalam nanokristal

Ia juga skeptis terhadap klaim kemerdekaan massal. “Saya tidak tahu dalam praktiknya betapa mudahnya hal ini untuk dicapai,” katanya, “tetapi hal ini hanya berkorelasi dengan ukurannya, karena semakin banyak sub-sistem yang Anda miliki, semakin banyak kebocoran yang Anda alami terhadap lingkungan.”

Tony Leggett (yang ikut mengembangkan ketidaksetaraan pada tahun 1980-an dengan Anupam Garg) adalah pakar dasar-dasar mekanika kuantum yang menerima Hadiah Nobel tahun 2003 atas karyanya tentang superkonduktivitas dan superfluida. Kini, sebagai profesor emeritus di Universitas Illinois, dia melihat masalah lain pada penelitian Bose dan rekan-rekannya. “Sangat jelas bahwa para peneliti ini yakin bahwa mekanika kuantum akan terus berfungsi – saya tidak begitu yakin,” katanya.

Namun Leggett mencatat bahwa bukti kerusakan mekanika kuantum akan ditafsirkan oleh sebagian besar komunitas fisika sebagai hasil dekoherensi – yang dapat disebabkan oleh pengukuran invasif. Berbeda dengan eksperimen di negara-negara bagian yang diketahui – di mana ia pernah ikut serta – ia mengatakan bahwa Bose dan rekan-rekannya tidak memberikan cara untuk menguji seberapa invasif pengukuran mereka, misalnya dengan menggunakan protokol pengukuran yang sama di negara-negara bagian yang berbeda.

Penelitian ini dijelaskan dalam makalah yang telah diterima untuk dipublikasikan di Physical Review Letters. A pracetak tersedia di arXiv.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/