Pengantar
Bulan ini, tiga ilmuwan memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika untuk pekerjaan mereka yang membuktikan salah satu realitas dunia kuantum yang paling berlawanan namun konsekuensial. Mereka menunjukkan bahwa dua partikel kuantum yang terjerat harus dianggap sebagai satu sistem - keadaan mereka saling terkait satu sama lain - bahkan jika partikel dipisahkan oleh jarak yang sangat jauh. Dalam praktiknya, fenomena "nonlokalitas" ini berarti bahwa sistem yang Anda miliki di depan Anda dapat secara instan terpengaruh oleh sesuatu yang jaraknya ribuan mil.
Keterikatan dan nonlokalitas memungkinkan ilmuwan komputer untuk membuat kode yang tidak dapat dipecahkan. Dalam teknik yang dikenal sebagai distribusi kunci kuantum independen perangkat, sepasang partikel terjerat dan kemudian didistribusikan ke dua orang. Properti bersama partikel sekarang dapat berfungsi sebagai kode, yang akan menjaga komunikasi tetap aman bahkan dari komputer kuantum — mesin yang mampu menembus teknik enkripsi klasik.
Tapi mengapa berhenti di dua partikel? Secara teori, tidak ada batasan atas berapa banyak partikel yang dapat berbagi keadaan terjerat. Selama beberapa dekade, fisikawan teoretis telah membayangkan koneksi kuantum tiga arah, empat arah, bahkan 100 arah — hal yang memungkinkan internet terdistribusi penuh yang dilindungi kuantum. Sekarang, sebuah laboratorium di China telah mencapai apa yang tampaknya merupakan keterjeratan nonlokal antara tiga partikel sekaligus, yang berpotensi meningkatkan kekuatan kriptografi kuantum dan kemungkinan jaringan kuantum secara umum.
“Nonlokalitas dua pihak sudah cukup gila,” kata Peter Bierhorst, seorang ahli teori informasi kuantum di Universitas New Orleans. “Tetapi ternyata mekanika kuantum dapat melakukan hal-hal yang bahkan lebih dari itu ketika Anda memiliki tiga pihak.”
Fisikawan telah menjerat lebih dari dua partikel sebelumnya. Rekornya ada di antara 14 partikel dan 15 triliun, tergantung pada siapa Anda bertanya. Tapi ini hanya melintasi jarak pendek, hanya terpisah beberapa inci. Untuk membuat keterikatan multipartai berguna untuk kriptografi, para ilmuwan perlu melampaui keterjeratan sederhana dan menunjukkan nonlokalitas — “sebuah standar yang tinggi untuk dicapai,” kata Elie Wolfe, seorang ahli teori kuantum di Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Kanada.
Kunci untuk membuktikan nonlokalitas adalah untuk menguji apakah sifat-sifat dari satu partikel cocok dengan sifat-sifat yang lain — ciri khas keterjeratan — setelah mereka cukup jauh terpisah sehingga tidak ada lagi yang dapat menyebabkan efek. Misalnya, sebuah partikel yang secara fisik masih dekat dengan kembarannya yang terjerat mungkin memancarkan radiasi yang mempengaruhi yang lain. Tetapi jika mereka terpisah satu mil dan diukur secara praktis secara instan, maka mereka kemungkinan besar hanya terkait dengan belitan. Eksperimen menggunakan seperangkat persamaan yang disebut Ketidaksetaraan lonceng untuk mengesampingkan semua penjelasan lain untuk sifat terkait partikel.
Dengan tiga partikel, proses pembuktian nonlokalitas serupa, tetapi ada lebih banyak kemungkinan untuk dikesampingkan. Hal ini memperbesar kompleksitas pengukuran dan lingkaran matematika yang harus dilalui para ilmuwan untuk membuktikan hubungan nonlokal dari ketiga partikel tersebut. “Anda harus menemukan cara kreatif untuk mendekatinya,” kata Bierhorst — dan memiliki teknologi untuk menciptakan kondisi yang tepat di lab.
Dalam hasil yang diterbitkan pada bulan Agustus, sebuah tim di Hefei, Cina, membuat lompatan penting ke depan. Pertama, dengan menembakkan laser melalui kristal jenis khusus, mereka terjerat tiga foton dan menempatkannya di berbagai area fasilitas penelitian, terpisah ratusan meter. Kemudian mereka secara bersamaan mengukur properti acak dari setiap foton. Para peneliti menganalisis pengukuran dan menemukan bahwa hubungan antara tiga partikel paling baik dijelaskan oleh nonlokalitas kuantum tiga arah. Itu adalah demonstrasi nonlokalitas tiga arah yang paling komprehensif hingga saat ini.
Secara teknis, masih ada kemungkinan kecil bahwa sesuatu yang lain menyebabkan hasil. “Kami masih memiliki beberapa celah terbuka,” kata Xue Mei Gu, salah satu penulis utama studi ini. Tetapi dengan memisahkan partikel, mereka dapat mengesampingkan penjelasan alternatif yang paling mencolok untuk data mereka: kedekatan fisik.
Para penulis juga mendasarkan percobaan mereka pada yang baru, definisi yang lebih ketat nonlokalitas tiga arah yang telah mendapatkan daya tarik dalam beberapa tahun terakhir. Sementara eksperimen sebelumnya memungkinkan kerja sama antara perangkat yang mengukur foton, tiga perangkat Gu tidak dapat berkomunikasi. Sebagai gantinya, mereka melakukan pengukuran partikel secara acak - pembatasan yang akan berguna dalam skenario kriptografi di mana komunikasi apa pun dapat dikompromikan, kata Renato Renner, seorang fisikawan kuantum di Institut Teknologi Federal Swiss Zurich. (Menggunakan paradigma lama, tim Kanada menunjukkan nonlokalitas tiga arah di kejauhan pada tahun 2014.)
Sekarang para peneliti yang mengikuti definisi baru telah berhasil menjerat partikel sejauh ini, mereka dapat fokus untuk memperluas jarak lebih jauh.
“Ini adalah batu loncatan penting untuk melakukan eksperimen jarak jauh dan berskala lebih besar,” kata Saikat Guha, seorang ahli teori informasi kuantum di University of Arizona.
Secara langsung, teknologi ini dapat menggerakkan distribusi kunci kuantum yang lebih luas, kata Renner. Jika Anda menggunakan partikel terjerat sebagai kunci enkripsi, ketidaksetaraan Bell yang sama yang digunakan fisikawan untuk menguji nonlokalitas dapat memastikan bahwa rahasia Anda benar-benar aman. Kemudian bahkan jika perangkat yang Anda gunakan untuk mengirim atau menerima pesan dimanipulasi secara jahat oleh musuh terburuk Anda, mereka tidak akan dapat menentukan kunci kuantum Anda. Rahasia itu tetap berada di antara Anda dan siapa pun yang memiliki partikel terjerat lainnya.
Pengantar
Distribusi kunci kuantum adalah "hal yang membuat orang bersemangat," kata Renner. Tahun lalu, tiga kelompok terpisah mendemonstrasikan protokol di lab, meski masih dalam skala kecil. Itulah mengapa nonlokalitas tiga arah akan menjadi sangat penting. “Pada prinsipnya Anda memiliki lebih banyak kekuatan kriptografi,” karena koneksi tiga arah ini tidak dapat disimulasikan dengan menggabungkan beberapa tautan dua arah.
“Ini adalah fenomena tingkat fundamental yang baru,” kata Bierhorst, yang dapat memperluas kriptografi perangkat-independen dari komunikasi dasar dua arah ke seluruh jaringan pembagi rahasia.
Selain kriptografi, keterjeratan multipartai juga membuka kemungkinan untuk jenis jaringan kuantum lainnya. Peneliti seperti Guha sedang mengerjakan internet kuantum, yang dapat menghubungkan komputer kuantum seperti internet biasa menghubungkan perangkat biasa. Sistem ini akan menyatukan kekuatan komputasi dari banyak perangkat kuantum dengan menghubungkan jutaan partikel dengan berbagai tingkat keterjeratan di berbagai jarak. Kami memiliki semua blok bangunan individu untuk sistem seperti itu, kata Guha, tetapi merakitnya “adalah tantangan rekayasa yang sangat besar.” Dengan tujuan ini, para ilmuwan di Belanda telah berhasil dalam menjerat tiga partikel dalam jaringan yang mencakup dua laboratorium terpisah — meskipun tidak seperti tim Gu, mereka tidak fokus untuk mendemonstrasikan nonlokalitas.
Pekerjaan tentang keterjeratan tiga arah ini dimulai sebagai “fenomena yang menarik,” kata Bierhorst. Tetapi "ketika Anda memiliki sesuatu yang mekanika kuantum dapat melakukannya, itu tidak mungkin dilakukan sebaliknya, itu akan membuka segala macam kemungkinan teknologi baru yang dapat dieksploitasi dengan cara yang tidak terduga."
Untuk saat ini, beberapa laboratorium telah menunjukkan nonlokalitas empat arah antara partikel yang sangat berdekatan. “Eksperimen ini cukup spekulatif pada saat ini. Anda harus membuat banyak asumsi,” kata Bierhorst.
Eksperimen tiga arah masih mengandalkan beberapa asumsi juga. Para peraih Nobel menghabiskan setengah abad mengesampingkan celah itu dalam eksperimen dua arah mereka, yang akhirnya berhasil pada 2017. Namun, kami telah menempuh perjalanan jauh sejak saat itu secara teknologi, kata Renner.
“Apa yang [membutuhkan] dekade sebelumnya sekarang akan terjadi dalam satu tahun atau lebih,” katanya.
