By Kenna Hughes-Castleberry diposting 18 Nov 2022
Meskipun manusia bukan satu-satunya spesies yang mengukur waktu, dalam arti tertentu, kita menjadikannya fokus hidup kita. Dari menjadwalkan pekerjaan, rapat, atau acara, hingga merayakan ulang tahun, waktu telah menjadi aspek yang berpengaruh dalam masyarakat kita. Kami mengukur waktu dengan menggunakan jam, khususnya jam yang sangat akurat yang disebut jam atom. “Jam atom mungkin adalah salah satu teknologi kuantum tertua yang paling banyak digunakan,” jelasnya Dr Judith Olson, kepala Divisi Jam Atom di Kuanta Dingin, kuantum yang memimpin pasar perusahaan. Pentingnya jam ini bagi masyarakat kita tidak dapat diremehkan, karena mereka berada di balik sebagian besar infrastruktur masyarakat kita. “Jam atom mendukung banyak teknologi yang kita andalkan dalam kehidupan kita sehari-hari – sistem komunikasi modern, distribusi energi, sistem transportasi, dan keuangan perdagangan semua tergantung pada standar waktu dan frekuensi yang akurat,” pungkas Helen Margolis, Kepala Sains untuk Waktu dan Frekuensi di Laboratorium Fisika Nasional Inggris (NPL).
Alasan mengapa jam atom begitu tepat adalah karena mereka memanfaatkan sifat mekanika kuantum dari atom dan molekul. Menurut Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST), jam atom fokus pada frekuensi resonansi atom untuk mengukur waktu. Sementara pada jam biasa (seperti jam tangan) sepotong kuarsa bergetar pada frekuensi tertentu dan frekuensi tersebut "dihitung" sebagai waktu, proses serupa digunakan dengan atom dan laser khusus. Saat atom mengubah tingkat energi saat berinteraksi dengan frekuensi laser tertentu, respons atom terhadap frekuensi ini memungkinkan laser distabilkan. Frekuensi laser yang distabilkan kemudian dapat “diukur dan dihitung sebagai “tik” jam. Karena frekuensi resonansi ini merupakan bagian inheren dari dinamika kuantum mendasar dalam jam, frekuensi ini sangat akurat dan stabil. Ilmuwan NIST mempelajari beberapa jam atom, termasuk F1 cesium jam, yang memiliki tingkat kesalahan satu detik dalam sejuta tahun.
Aplikasi Penyimpan Waktu Generasi Selanjutnya
Karena akurasi dan presisinya yang tinggi, jam atom telah menjadi berguna untuk beberapa industri. “Salah satu alasan mengapa kuantum begitu terfokus pada jam adalah karena sudah ada pasarnya,” kata Olson. “Orang-orang sadar bahwa jam ini ada dan merupakan teknologi yang berguna. Orang membelinya dan menggunakannya. Banyak teknologi kuantum lainnya berada lebih jauh di cakrawala tanpa pasar ekonomi yang mapan, seperti komputer kuantum.” Jam atom telah terbukti menjadi teknologi pengganggu untuk ketepatan waktu, yang diharapkan oleh banyak industri kuantum juga diterjemahkan menjadi komputer kuantum. Seperti yang dinyatakan Olson; “Anda tidak dapat keluar dan membeli komputer kuantum dari toko saat ini, tetapi telah mampu membeli jam kuantum, sekarang secara komersial, selama beberapa dekade.” Ini membuat perangkat ini lebih mudah diakses oleh para peneliti dan perusahaan untuk digunakan dalam mengembangkan teknologi lainnya.
Karena perangkat ini sudah tersedia, banyak industri sudah memanfaatkan manfaatnya untuk keuntungan yang signifikan. Dari GPS satelit ke jaringan lokal, jam ini meningkatkan sistem navigasi, yang dapat bermanfaat bagi banyak orang, termasuk militer. “Misalnya, satnav mengandalkan jam atom pada satelit untuk dapat menghitung dan melacak posisi penerima,” jelas Margolis. Jam atom juga sangat berguna untuk memberi tahu kita lebih banyak tentang bentuk Bumi dan medan gravitasinya. Menurut a SPIE 2020 artikel: “Karena kehadiran gravitasi memengaruhi laju waktu berlalu, jam yang lebih dekat ke permukaan laut sebenarnya berdetak lebih lambat daripada yang ada di Gunung Everest, yang berarti fisikawan dapat menggunakan jam ini untuk memantau bentuk planet kita, bidang ilmiah yang dikenal sebagai geodesi.” Teknologi ini bahkan mungkin dapat membantu para ilmuwan melacak perubahan permukaan laut dengan lebih akurat atau menyediakan sistem deteksi dan peringatan dini untuk bencana alam
Industri lain seperti keuangan juga menemukan manfaat dengan perangkat ini. “Mereka digunakan di hampir setiap transaksi keuangan,” kata Olson. “Kebanyakan orang tidak memikirkannya, tetapi jam atom pada akhirnya memberikan stempel waktu untuk perdagangan saham dan transaksi ATM. Jadi, setiap kali Anda bertransaksi uang atau data, biasanya mendapat tag waktu yang berasal dari GPS atau rentang waktu lain yang dapat dilacak. Ini penting untuk keamanan dan regulasi pasar keuangan.” Bahkan eksplorasi ruang angkasa menemukan kegunaan jam atom. Di 2019, NASA mengirim jam atom ke orbit. “Jam-jam ini akan membantu pesawat ruang angkasa mengarahkan diri dan bernavigasi secara mandiri,” baru-baru ini artikel NASA dijelaskan. Namun, untuk mendapatkan lebih banyak manfaat dari jam atom, diperlukan versi yang lebih kecil dirancang dan dikembangkan.
Jam Atom dan Komputer Quantum
Banyak orang dalam industri kuantum berharap untuk menggabungkan satu jenis teknologi, jam atom, dengan yang lain, komputer kuantum. Penelitian terbaru telah menunjukkan bahwa jam atom dapat dilampirkan ke komputer kuantum untuk membuat ultra-presisi Sensor, yang dapat mengukur gravitasi dan gaya lainnya. “Jam atom adalah referensi frekuensi terbaik yang pernah ada,” jelas Olson. “Dan frekuensi adalah kualitas terukur terbaik yang dapat diakses manusia. Jadi, ini berguna setiap kali Anda peduli dengan frekuensi persis laser Anda, yang mana komputer kuantum yang menggunakan interaksi atom-laser sangat peduli. Stabilitas frekuensi laser dapat menjadi batasan untuk beberapa modalitas dalam komputasi kuantum. Karena Anda mungkin memiliki derau fase, derau frekuensi, atau cara lain derau dapat masuk untuk merusak kesetiaan fungsi gerbang. Seringkali, itu dapat ditingkatkan dengan memiliki referensi frekuensi yang andal untuk mengunci laser mereka atau meningkatkan kinerja kebisingannya, mirip dengan jam atom.
Dengan sensor akurat yang terdiri dari jam atom dan komputer kuantum ini, ada banyak kegunaan untuk sensor kuantum dan perangkat pencitraan ini. “Beberapa aplikasi ramah manusia jangka pendek ada di bidang geologi atau arkeologi, seperti teknik pencitraan baru di mana Anda dapat memindai melalui hutan, rimba, atau tanah untuk menemukan reruntuhan kuno,” kata Olson. “Teknik ini terbawa untuk militer gunakan, di mana medan perang dapat dipantau dan diamati tidak seperti sebelumnya. Sementara penelitian masih perlu dilakukan, yang lain telah menyarankan bahwa perangkat ini dapat digunakan untuk menemukan deposit minyak atau mineral baru.
Meskipun komputasi kuantum masih memiliki jalan panjang, Olson percaya bahwa jam atom akan lebih penting untuk keseluruhan jaringan daripada komputer individu. “Ini adalah jaringan kuantum yang kita perlukan jam untuk mengirimkan informasi, menyinkronkan data, dan memastikan komunikasi kuantum yang aman,” katanya. “Penting bagi kita untuk memahami konten waktu dan frekuensi dari informasi yang ditransmisikan… Tetapi operasi sebenarnya dari komputer kuantum, menurut saya, akan lebih bergantung pada referensi frekuensi daripada jam atom.”
Kenna Hughes-Castleberry adalah staf penulis di Inside Quantum Technology dan Science Communicator di JILA (kemitraan antara University of Colorado Boulder dan NIST). Ketukan tulisannya termasuk teknologi dalam, metaverse, dan teknologi kuantum.
