Kemudi kuantum – sebuah fenomena aneh dan non-lokal yang mirip dengan keterjeratan kuantum – tidak dapat direplikasi secara sempurna melalui operasi gabungan apa pun antara sistem yang dikemudikan dan sistem eksternal. Teorema “tanpa kloning” baru ini adalah hasil kerja para peneliti di Tiongkok yang mempelajari situasi yang muncul ketika salah satu dari dua pihak yang berbagi keadaan kuantum tidak mempercayai sumber partikel kuantum yang digunakan untuk menciptakan keadaan tersebut. Selain penting bagi fisika fundamental, temuan ini dapat berdampak pada kriptografi kuantum dan komputasi kuantum.
Komputer konvensional menyimpan informasi sebagai “bit” yang memiliki nilai 1 atau 0. Sebaliknya, komputer kuantum menyimpan informasi dalam sistem kuantum dua tingkat seperti keadaan polarisasi foton horizontal dan vertikal atau “spin up” dan “ spin down” keadaan elektron. Keadaan bit kuantum, atau qubit, tidak terbatas pada 0 dan 1; mereka juga bisa ada dalam kombinasi perantara yang dikenal sebagai superposisi. Namun, keadaan sistem kuantum secara lengkap tidak akan pernah dapat diketahui sepenuhnya, artinya duplikasi qubit yang sempurna dilarang. Inilah yang disebut teorema “tanpa kloning”, dan ini menjadi dasar kriptografi kuantum.
Prinsip penting lainnya adalah bahwa dua atau lebih qubit dapat terjerat, artinya keduanya memiliki hubungan yang jauh lebih dekat daripada yang diperbolehkan oleh fisika klasik. Saat dua qubit terjerat, mengukur status salah satunya secara otomatis memberi tahu Anda status qubit kedua, tidak peduli seberapa jauh jaraknya. Misalnya, jika Anda mengetahui putaran suatu partikel, Anda dapat menentukan putaran partikel lainnya.
Albert Einstein menganggap aspek keterjeratan ini meresahkan, karena hal ini menyiratkan bahwa partikel-partikel yang terjerat dapat mempengaruhi keadaan satu sama lain secara non-lokal – sesuatu yang disebutnya “aksi seram dari jarak jauh”. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 1935, ia dan rekan-rekannya Boris Podolsky dan Nathan Rosen menentang bentuk nonlokalitas ini, dan hal ini dikenal sebagai paradoks EPR setelah inisial mereka. Namun penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa argumen mereka tidak benar: the Hadiah Nobel Fisika 2022 pergi ke trio eksperimentalis yang, berdasarkan karya mendiang ahli teori John Stewart Bell, menunjukkan bahwa keterjeratan (dan dengan demikian nonlokalitas) memang merupakan bagian dari dunia fisik kita.
“Prinsip kemudi tanpa kloning”
Keterikatan kuantum bukanlah satu-satunya bentuk nonlokalitas dalam teori kuantum. Tipe lain, yang dikenal sebagai kemudi kuantum, pertama kali diperkenalkan oleh Erwin Schrödinger sebagai generalisasi dari paradoks EPR. Dalam keterikatan kuantum, kedua pihak yang terlibat dalam transaksi kuantum (secara tradisional dikenal sebagai Alice dan Bob), keduanya mempercayai sumber partikel kuantum yang digunakan untuk menghasilkan keadaan masing-masing. Kemudi kuantum menimbulkan asimetri pada pengaturan ini: sekarang hanya satu sumber (sumber Alice, misalnya) yang dapat dipercaya. Hal ini memungkinkan Alice untuk "mengarahkan" keadaan partikel yang diamati oleh Bob, yang berarti bahwa pengukuran yang dia lakukan pada separuh pasangan partikel yang terjerat mempengaruhi keadaan separuh Bob dengan cara yang tidak dapat dijelaskan secara klasik.
“Prinsip pengarah tanpa kloning” yang ditunjukkan dalam karya baru ini menambah pemahaman kita tentang bentuk nonlokalitas ini. “Teorema awal tanpa kloning menyatakan bahwa tidak ada operasi fisik yang dapat dengan sempurna meniru keadaan kuantum yang tidak diketahui,” jelasnya Fu-Lin Zhang, yang memimpin tim peneliti di Departemen Fisika di Universitas Tianjin dan Institut Matematika Chern di Universitas Nankai. “Temuan kami menunjukkan bahwa kemudi kuantum dalam keadaan yang diketahui tidak dapat ditiru secara sempurna jika keadaannya 'terlalu kuantum'.”
Alain Aspect, John Clauser dan Anton Zeilinger memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2022
Para peneliti juga menemukan bahwa jenis korelasi kuantum yang terkait erat yang disebut kemudi EPR dapat dikloning sebagian. Pengarahan EPR ada di negara-negara yang dapat digunakan untuk mendemonstrasikan kemudi kuantum secara meyakinkan bahkan jika pengamat dari negara-negara yang dikemudikan tidak mempercayai pengukur. Oleh karena itu, ini dapat dianggap sebagai properti kuantum yang “lebih kuat” daripada kemudi kuantum, jelas Zhang. “Dalam tugas informasi kuantum antara Alice dan Bob yang diserang oleh pihak ketiga, 'Charlie', menggunakan mesin kloning, hasil kami menetapkan ambang batas pada kemudi EPR antara Alice dan Bob untuk mengecualikan kemudi EPR antara Alice dan Charlie,” katanya. Dunia Fisika.
“Pengarahan kuantum tanpa kloning adalah konsekuensi dari superposisi kuantum, seperti halnya teorema larangan mengkloning dan larangan bepergian,” tambahnya, “dan bukti kami didasarkan pada apa yang disebut teorema larangan penyiaran, yaitu sistem tanpa kloning yang diperluas dari negara-negara 'campuran' (dalam sistem komposit).”
Para peneliti sekarang sedang memeriksa bagaimana derajat “kuantum” mempengaruhi teorema larangan lainnya. “Kami sedang mempelajari protokol berbagi nonlokalitas dan jenis informasi kuantum lainnya di antara banyak pengamat dalam kerangka kloning kuantum,” ungkap Zhang. “Topik berbagi nonlokalitas dan informasi merupakan hal mendasar dalam ilmu informasi kuantum.”
Pekerjaan dirinci dalam Sastra Fisika Cina.
