Mekanika kuantum aneh. Teori, yang menggambarkan cara kerja partikel dan kekuatan kecil, membuat Albert Einstein sangat gelisah sehingga pada tahun 1935 ia dan rekan-rekannya mengklaim bahwa itu pasti tidak lengkap — terlalu “seram” untuk menjadi nyata.
Konten terkait
- Ilmuwan Menangkap Kucing Schrödinger di Kamera
- Tujuh Cara Sederhana yang Kita Ketahui Einstein Benar (Untuk Sekarang)
- Fisika Aneh Dapat Membuat Kucing Tak Terlihat Terlihat
- Lockheed Martin Memiliki Komputer Quantum Gila-Cepat Dan Rencana untuk Sebenarnya Menggunakan Mereka
Masalahnya adalah bahwa fisika kuantum tampaknya menentang gagasan akal sehat tentang kausalitas, lokalitas, dan realisme. Misalnya, Anda tahu bahwa bulan ada bahkan ketika Anda tidak melihatnya — itu adalah realisme. Kausalitas memberi tahu kami bahwa jika Anda menjentikkan sakelar lampu, bohlam akan menyala. Dan berkat batas keras pada kecepatan cahaya, jika Anda menjentikkan sakelar sekarang, efek yang terkait tidak dapat terjadi seketika sejuta tahun cahaya menurut lokasi. Namun, prinsip-prinsip ini terurai dalam ranah kuantum. Mungkin contoh paling terkenal adalah keterikatan kuantum, yang mengatakan bahwa partikel di sisi berlawanan dari alam semesta dapat secara intrinsik terkait sehingga mereka berbagi informasi secara instan — sebuah ide yang membuat Einstein mencemooh.
Tetapi pada tahun 1964, fisikawan John Stewart Bell membuktikan bahwa fisika kuantum sebenarnya adalah teori yang lengkap dan bisa diterapkan. Hasilnya, yang sekarang disebut Bell's Theorem, secara efektif membuktikan bahwa sifat-sifat kuantum seperti keterikatan adalah senyata bulan, dan saat ini perilaku aneh sistem kuantum sedang dimanfaatkan untuk digunakan dalam berbagai aplikasi dunia nyata. Inilah lima yang paling menarik:
Jam strontium, yang diluncurkan oleh NIST dan JILA pada bulan Januari, akan menjaga waktu yang akurat untuk 5 miliar tahun ke depan. (Grup Ye dan Brad Baxley, JILA) Jam Ultra-Precise
Ketepatan waktu yang andal adalah lebih dari sekadar alarm pagi Anda. Jam menyinkronkan dunia teknologi kita, menjaga hal-hal seperti pasar saham dan sistem GPS sejalan. Jam standar menggunakan osilasi reguler objek fisik seperti pendulum atau kristal kuarsa untuk menghasilkan 'kutu' dan 'tocks'. Saat ini, jam paling tepat di dunia, jam atom, dapat menggunakan prinsip-prinsip teori kuantum untuk mengukur waktu. Mereka memantau frekuensi radiasi spesifik yang diperlukan untuk membuat elektron melompat di antara tingkat energi. Jam kuantum-logika di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) AS di Colorado hanya kehilangan atau memperoleh yang kedua setiap 3, 7 miliar tahun. Dan jam strontium NIST, yang diluncurkan awal tahun ini, akan seakurat itu selama 5 miliar tahun — lebih lama dari usia Bumi saat ini. Jam atom super sensitif seperti itu membantu navigasi GPS, telekomunikasi, dan survei.
Ketepatan jam atom sebagian bergantung pada jumlah atom yang digunakan. Disimpan dalam ruang hampa udara, masing-masing atom secara mandiri mengukur waktu dan mengawasi perbedaan lokal acak antara dirinya dan tetangganya. Jika para ilmuwan menjejalkan 100 kali lebih banyak atom ke dalam jam atom, itu menjadi 10 kali lebih tepat — tetapi ada batasan pada berapa banyak atom yang dapat Anda peras. Tujuan besar peneliti berikutnya adalah untuk berhasil menggunakan keterjeratan untuk meningkatkan presisi. Atom-atom terjerat tidak akan disibukkan dengan perbedaan lokal dan sebagai gantinya hanya akan mengukur perjalanan waktu, secara efektif menyatukan mereka sebagai pendulum tunggal. Itu berarti menambahkan atom 100 kali lebih banyak ke dalam jam terjerat akan membuatnya 100 kali lebih tepat. Jam terjerat bahkan dapat dihubungkan untuk membentuk jaringan di seluruh dunia yang akan mengukur waktu terlepas dari lokasi.
Pengamat akan mengalami kesulitan meretas korespondensi kuantum. (VOLKER STEGER / Perpustakaan Foto Sains / Corbis) Kode yang Tidak Dapat Dipecahkan
Kriptografi tradisional berfungsi menggunakan kunci: Pengirim menggunakan satu kunci untuk menyandikan informasi, dan penerima menggunakan yang lain untuk men-decode pesan. Namun, sulit untuk menghilangkan risiko penyadap, dan kunci dapat dikompromikan. Ini dapat diperbaiki dengan menggunakan distribusi kunci kuantum (QKD) yang berpotensi tidak dapat dipecahkan. Di QKD, informasi tentang kunci dikirim melalui foton yang telah dipolarisasi secara acak. Ini membatasi foton sehingga hanya bergetar dalam satu bidang — misalnya, naik dan turun, atau kiri ke kanan. Penerima dapat menggunakan filter terpolarisasi untuk menguraikan kunci dan kemudian menggunakan algoritma yang dipilih untuk mengenkripsi pesan dengan aman. Data rahasia masih dikirim melalui saluran komunikasi normal, tetapi tidak ada yang bisa men-decode pesan kecuali mereka memiliki kunci kuantum yang tepat. Itu rumit, karena aturan kuantum menyatakan bahwa "membaca" foton terpolarisasi akan selalu mengubah status mereka, dan segala upaya menguping akan memperingatkan komunikator untuk pelanggaran keamanan.
Saat ini perusahaan seperti BBN Technologies, Toshiba dan ID Quantique menggunakan QKD untuk merancang jaringan yang sangat aman. Pada tahun 2007, Swiss mencoba produk ID Quantique untuk menyediakan sistem pemilihan tamper-proof selama pemilihan. Dan transfer bank pertama menggunakan QKD terjerat berlangsung di Austria pada tahun 2004. Sistem ini berjanji akan sangat aman, karena jika foton terjerat, setiap perubahan pada status kuantum mereka yang dibuat oleh interlopers akan segera jelas bagi siapa saja yang memantau kunci-bantalan partikel Tetapi sistem ini belum bekerja dalam jarak yang jauh. Sejauh ini, foton terjerat telah ditransmisikan pada jarak maksimum sekitar 88 mil.
Closeup dari chip komputer D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Komputer Super-Kuat
Komputer standar mengkodekan informasi sebagai string angka biner, atau bit. Komputer kuantum memiliki kekuatan pemrosesan supercharge karena mereka menggunakan bit kuantum, atau qubit, yang ada dalam superposisi status — hingga mereka diukur, qubit dapat berupa "1" dan "0" pada saat yang bersamaan.
Bidang ini masih dalam pengembangan, tetapi ada langkah-langkah ke arah yang benar. Pada 2011, D-Wave Systems mengungkapkan D-Wave One, prosesor 128-qubit, diikuti setahun kemudian oleh D-Wave Two 512-qubit. Perusahaan mengatakan ini adalah komputer kuantum pertama yang tersedia secara komersial di dunia. Namun, klaim ini telah disambut dengan skeptis, sebagian karena masih belum jelas apakah qubit D-Wave terjerat. Studi yang dirilis pada bulan Mei menemukan bukti keterikatan tetapi hanya pada sebagian kecil dari qubit komputer. Ada juga ketidakpastian apakah chip menampilkan speedup kuantum yang andal. Namun, NASA dan Google telah bekerja sama untuk membentuk Quantum Artificial Intelligence Lab berdasarkan D-Wave Two. Dan para ilmuwan di Universitas Bristol tahun lalu menyambungkan salah satu chip kuantum tradisional mereka ke Internet sehingga siapa pun yang menggunakan browser web dapat mempelajari pengkodean kuantum.
Mengawasi keterjeratan dengan mata tajam. (Ono et al., Arxiv.org) Mikroskop yang ditingkatkan
Pada bulan Februari, sebuah tim peneliti di Universitas Hokkaido Jepang mengembangkan mikroskop yang ditingkatkan keterlibatannya pertama di dunia, menggunakan teknik yang dikenal sebagai mikroskop perbedaan kontras interferensi. Jenis mikroskop ini menembakkan dua sinar foton pada suatu zat dan mengukur pola interferensi yang diciptakan oleh sinar yang dipantulkan — polanya berubah tergantung pada apakah mereka mengenai permukaan yang rata atau tidak rata. Menggunakan foton terjerat sangat meningkatkan jumlah informasi yang dapat dikumpulkan oleh mikroskop, karena mengukur satu foton terjerat memberikan informasi tentang mitranya.
Tim Hokkaido berhasil menggambar "Q" berukir yang berdiri hanya 17 nanometer di atas latar belakang dengan ketajaman yang belum pernah terjadi sebelumnya. Teknik serupa dapat digunakan untuk meningkatkan resolusi alat astronomi yang disebut interferometer, yang melapiskan gelombang cahaya yang berbeda untuk menganalisis properti mereka dengan lebih baik. Interferometer digunakan dalam perburuan planet ekstrasurya, untuk menyelidiki bintang-bintang terdekat dan untuk mencari riak di ruangwaktu yang disebut gelombang gravitasi.
Robin Eropa mungkin merupakan alam kuantum. (Andrew Parkinson / Corbis) Kompas Biologis
Manusia bukan satu-satunya yang memanfaatkan mekanika kuantum. Satu teori terkemuka menunjukkan bahwa burung seperti robin Eropa menggunakan aksi seram untuk melacak ketika mereka bermigrasi. Metode ini melibatkan protein peka cahaya yang disebut cryptochrome, yang mungkin mengandung elektron terjerat. Ketika foton memasuki mata, mereka mengenai molekul cryptochrome dan dapat memberikan energi yang cukup untuk memecahnya, membentuk dua molekul reaktif, atau radikal, dengan elektron tidak berpasangan tetapi masih terjerat. Medan magnet yang mengelilingi burung memengaruhi berapa lama radikal cryptochrome ini bertahan. Sel-sel di retina burung dianggap sangat sensitif terhadap keberadaan radikal terjerat, yang memungkinkan hewan untuk secara efektif 'melihat' peta magnetik berdasarkan molekul.
Namun, proses ini tidak sepenuhnya dipahami, dan ada opsi lain: Sensitivitas magnetik burung bisa disebabkan oleh kristal mineral magnetik kecil di paruh mereka. Namun, jika keterikatan benar-benar berperan, percobaan menunjukkan bahwa keadaan halus harus bertahan lebih lama di mata burung daripada bahkan dalam sistem buatan terbaik. Kompas magnetik juga dapat digunakan untuk kadal, krustasea, serangga, dan bahkan beberapa mamalia tertentu. Sebagai contoh, suatu bentuk cryptochrome yang digunakan untuk navigasi magnetik pada lalat juga telah ditemukan di mata manusia, meskipun tidak jelas apakah itu atau pernah berguna untuk tujuan yang sama.
