Dunia fisika kuantum sedang mengalami revolusi kedua, yang akan mendorong lompatan eksponensial dalam kemajuan komputasi, internet, telekomunikasi, keamanan siber, dan biomedis. Teknologi kuantum menarik semakin banyak siswa yang ingin mempelajari konsep-konsep dari dunia subatom – seperti keterikatan kuantum atau superposisi kuantum – untuk mengeksplorasi potensi inovatif ilmu kuantum. Faktanya, memahami sifat non-intuitif dari konsep teknologi kuantum dan mengakui relevansinya dengan kemajuan teknologi adalah salah satu tantangan di tahun 2025, yang dinyatakan sebagai Tahun Internasional Sains dan Teknologi Kuantum oleh UNESCO.
Kini, tim dari Fakultas Fisika Universitas Barcelona telah merancang peralatan eksperimental baru yang memungkinkan mahasiswa membiasakan diri dengan konsep fisika kuantum yang lebih kompleks. Konfigurasi yang mereka hadirkan –serbaguna, hemat biaya dan dengan berbagai cara penerapan di kelas – sudah beroperasi di Laboratorium Quantum Lanjutan Fakultas Fisika UB dan juga dapat diakses di pusat-pusat yang kurang terspesialisasi.
Inovasi ini disajikan dalam artikel di jurnal Teknologi Kuantum EPJ yang merupakan hasil kolaborasi antara Profesor Bruno Juliá, dari Departemen Fisika Kuantum dan Astrofisika dan Institut Ilmu Kosmos UB (ICCUB); Martí Duocastella, dari Departemen Fisika Terapan dan Institut Nanosains dan Nanoteknologi UB (IN2UB), dan José M. Gómez, dari Departemen Teknik Elektronika dan Biomedis. Hal ini didasarkan pada hasil tugas akhir master Raúl Lahoz, dengan partisipasi ahli Lidia Lozano dan Adrià Brú.
Studi tentang fenomena unik dalam mekanika kuantum
Mekanika kuantum memungkinkan terciptanya apa yang disebut sistem terjerat – misalnya, dengan dua partikel atau dua foton – yang berperilaku non-intuitif. Pada tahun 1964, fisikawan John S. Bell secara eksperimental membuktikan bahwa prediksi mekanika kuantum sama sekali tidak sesuai dengan deskripsi fisika klasik – hipotesis yang didukung oleh Albert Einstein – dan mengkonsolidasikan sifat probabilistik mekanika kuantum. Pada tahun 2022, ilmuwan Alain Aspect, John F. Clauser, dan Anton Zeilinger dianugerahi Hadiah Nobel Fisika karena memelopori eksperimen informasi kuantum pada foton terjerat dan demonstrasi eksperimental pelanggaran pertidaksamaan Bell.
Keterikatan kuantum saat ini merupakan salah satu sumber daya mendasar untuk mendorong pengembangan teknologi kuantum (komputer kuantum, enkripsi data, dll.).
“Studi tentang ketidaksetaraan Bell – khususnya, mengamati pelanggaran ketidaksetaraan – merupakan hal mendasar untuk mengkarakterisasi sistem terjerat kuantum. Penting untuk dapat melakukan eksperimen ini di laboratorium pengajaran untuk memahami ketidaksetaraan Bell, keterjeratan kuantum, dan sifat probabilistik dari ketidaksetaraan Bell. mekanika kuantum”, kata Bruno Juliá.
Martí Duocastella menjelaskan dalam artikelnya bahwa mereka telah merancang “peralatan eksperimental baru yang mampu memberikan siswa pengukuran langsung keterjeratan kuantum”. “Dari sudut pandang kami, – kata peneliti – kami percaya bahwa mengizinkan siswa melakukan pengukuran ini akan sangat memudahkan pemahaman mereka tentang fenomena yang tidak intuitif ini”.
Memperkenalkan siswa pada alat-alat canggih
Sistem yang dirancang oleh tim UB memungkinkan untuk mempelajari ketidaksetaraan Bell dan juga melakukan tomografi keadaan dua foton secara penuh. Dengan operasi sederhana, ia dapat mempersiapkan keadaan terjerat kuantum yang berbeda. Dibandingkan dengan proposal sebelumnya, “peralatan baru ini telah meningkatkan proses penangkapan foton: peralatan ini menggunakan detektor yang dirakit pada serat optik, salah satu inovasi utama untuk menyederhanakan percobaan, yang memfasilitasi penyelarasan sistem dan meningkatkan efisiensi pendeteksian. Dengan demikian, pengukuran ketidaksetaraan Bell secara lengkap dapat dilakukan selama sesi praktik laboratorium (antara satu dan dua jam)”, kata Juliá dan Duocastella.
Hasilnya mengungkapkan keberhasilan manipulasi keadaan kuantum foton dan pencapaian keadaan terjerat dengan ketelitian tinggi dan pelanggaran signifikan terhadap ketidaksetaraan Bell. Selain itu, elemen sistem banyak digunakan dalam teknologi kuantum saat ini, sehingga memfasilitasi kontak siswa dengan instrumentasi canggih.
Inovasi yang sudah diterapkan pada program studi sarjana dan magister ini mendapat tanggapan yang sangat positif dari seluruh mahasiswa. Pada gelar sarjana Fisika memungkinkan dilakukannya demonstrasi eksperimental untuk melengkapi mata kuliah Teori Informasi Klasik dan Kuantum serta Mekanika Kuantum. Dalam program gelar master, ini adalah salah satu dari empat eksperimen di Laboratorium Kuantum Lanjutan gelar Master di bidang Sains dan Teknologi Kuantum.
Studi ini telah menerima dana dari Kementerian Ilmu Pengetahuan, Inovasi dan Universitas Spanyol dan dana Uni Eropa Generasi Berikutnya Uni Eropa.
Artikel referensi:
Lahoz Sanz, Raúl; Lozano Martín, Lidia; Brú i Cortés, Adrià; Duocastella, Marti; Gómez, José M.; Juliá-Díaz, Bruno. «Pengaturan sarjana untuk mengukur ketidaksetaraan Bell dan melakukan tomografi keadaan kuantum» . Teknologi Kuantum EPJDesember 2024. DOI: 10.1140/epjqt/s40507-024-00298-y
