Teori Kuantum yang Mengupas Misteri Pengukuran



Bayangkan jika semua teori dan model ilmiah yang telah diketahui hanya memberi tahu kita tentang rata-rata: jika perkiraan cuaca terbaik hanya bisa memberi Anda jumlah rata-rata harian hujan yang diharapkan selama bulan depan, atau jika para astronom hanya bisa memperkirakan waktu rata-rata di antara gerhana matahari.

Pada awal perkembangan mekanika kuantum, tampaknya menjadi batasan yang tak dapat dihindari. Mekanika kuantum merupakan teori probabilistik yang memberitahu kita tentang rata-rata objek yang diamati jika kita mengumpulkan catatan untuk banyak peristiwa ataupun partikel. Bagi Erwin Schrödinger, persamaan eponimnya menentukan bagaimana objek kuantum berperilaku, sama sekali tidak ada artinya untuk memikirkan tentang perilaku spesifik atom atau elektron tertentu dalam waktu nyata. “It is fair to state”, ia menulis pada pada tahun 1952, “bahwa kami tidak bereksperimen terhadap partikel tunggal. ... Kami meneliti peristiwa lama setelah itu terjadi”. Dengan kata lain, mekanika kuantum tampaknya hanya bekerja pada “ensemble” dari banyak partikel. “Ketika ensemble cukup besar, maka kemungkinan diperoleh statistik yang cukup untuk memeriksa apakah prediksi itu benar” kata Michel Devoret, seorang ahli fisika di Universitas Yale.

Tetapi ada cara lain untuk merumuskan mekanika kuantum sehingga dapat menjelaskan tentang peristiwa tunggal yang terjadi dalam sistem kuantum tunggal. Formula itu disebut dengan quantum trajectory theory (teori lintasan kuantum) (QTT), dan sangat cocok dengan formalisme standar mekanika kuantum – teori tersebut benar-benar mampu memperlihatkan perilaku kuantum yang lebih detail. Deskripsi standar dipulihkan dalam rentang waktu yang lama setelah rata-rata banyak peristiwa dihitung.

Dalam sebuah tantangan langsung terhadap pandangan pesimistis Schrödinger, "QTT berurusan dengan partikel tunggal dan kejadian tepat saat itu terjadi," kata Zlatko Minev, yang menyelesaikan gelar doktornya di lab Devoret di Yale. Dengan menerapkan QTT pada percobaan di sirkuit kuantum, Minev dan rekan kerjanya baru-baru ini mampu menangkap "lompatan kuantum (quantum leap)" - sebuah peralihan antara dua keadaan energi kuantum - saat ia terbuka seiring berjalannya waktu. Mereka juga mencapai prestasi yang luar biasa dalam menangkap lompatan energi kuantum tersebut dan membalikkannya.

“Teori lintasan kuantum membuat prediksi yang tidak mungkin dibuat dengan formulasi standar," kata Devoret. Secara khusus, ini dapat memprediksi bagaimana objek kuantum tunggal seperti partikel akan berperilaku ketika mereka diamati - yaitu, ketika pengukuran dilakukan terhadap mereka.

Persamaan Schrödinger tidak bisa melakukan itu. Ia memprediksi dengan sempurna bagaimana suatu objek akan berkembang seiring waktu jika kita tidak mengukurnya. Tetapi menambahkan pengukuran dan semua yang bisa Anda dapatkan dari persamaan Schrödinger adalah prediksi dari rata-rata banyaknya pengukuran yang Anda lihat, bukan apa yang akan dilakukan oleh sistem kuantum tunggal. Persamaan tersebut tidak akan memberi tahu Anda apa yang diharapkan dari lompatan kuantum tunggal.

Pengukuran menggagalkan persamaan Schrödinger karena fenomena aneh yang disebut quantum back-action. Pengukuran kuantum mempengaruhi sistem yang diamati: Tindakan pengamatan menginjeksi semacam gangguan acak ke dalam sistem kuantum. Pada akhirnya ini merupakan sumber dari prinsip ketidakpastian Heisenberg. Ketidakpastian dalam suatu pengukuran tidak seperti yang awalnya dipikirkan oleh Heisenberg. Katakanlah, sebuah foton yang memicu sebuah partikel dan mendorongnya keluar dari jalur. Sebaliknya, ini adalah hasil yang tidak dapat dihindari dari efek pengacakan intrinsik dari pengamatan itu sendiri. Persamaan Schrödinger tidak apa-apa digunakan dalam memprediksi bagaimana sistem kuantum berevolusi kecuali Anda mengukurnya, dalam hal ini hasilnya tidak dapat diprediksi.

Quantum back-action dapat dianggap sebagai penyelarasan yang tidak sempurna antara sistem dan peralatan pengukur, kata Devoret, karena Anda tidak tahu seperti apa sistem itu sampai Anda melihatnya. Dia membandingkannya dengan pengamatan sebuah planet menggunakan teleskop. Jika planet ini tidak cukup di tengah bingkai teleskop, maka gambar akan menjadi kabur.

QTT, bagaimanapun, dapat mengambil tindakan kembali ke sistem. Tujuannya adalah, untuk menerapkan QTT, Anda harus memiliki pengetahuan tentang perilaku sistem yang Anda amati. Biasanya, pengamatan terhadap sistem kuantum mengabaikan banyak informasi yang berpotensi tersedia seperti: Beberapa foton yang dipancarkan tersesat di lingkungan mereka. 

Tetapi jika hampir semuanya diukur dan mengetahui sistem yang diamati termasuk konsekuensi acak dari back-action, maka Anda dapat membangun umpan balik ke dalam alat pengukuran yang akan membuat penyesuaian terus-menerus untuk mengkompensasi back-action. Hal ini setara dengan penyesuaian orientasi teleskop untuk menjaga planet tetap terlihat di tengah lensa teleskop.

Agar ini dapat berfungsi, peralatan pengukuran harus mengumpulkan data lebih cepat daripada laju perubahan sistem yang signifikan, dan harus melakukannya dengan efisiensi yang hampir sempurna. "Pada dasarnya semua informasi yang meninggalkan sistem dan diserap oleh lingkungan harus melewati peralatan pengukuran dan dicatat," kata Devoret. Dalam analogi astronomi, planet ini harus diterangi hanya dengan cahaya yang berasal dari observatorium, yang bagaimanapun juga mengumpulkan semua cahaya yang dipancarkan kembali.

Mencapai tingkat kendali dan penangkapan informasi ini sangat menantang. Itulah sebabnya, meskipun QTT telah ada selama beberapa dekade, "hanya dalam lima tahun terakhir kita dapat mengujinya secara eksperimental," kata William Oliver dari Massachusetts Institute of Technology (MIT). Minev mengembangkan inovasi untuk memastikan efisiensi pengukuran kuantum hingga 91%, dan "pengembangan teknologi utama inilah yang memungkinkan kami mengubah prediksi menjadi percobaan yang dapat diverifikasi dan dapat diterapkan," katanya.

Dengan inovasi-inovasi ini, "Memungkinkan untuk mengetahui kapan saja dan di mana sistem berada, memberikan informasi peristiwa yang dilalui sistem, bahkan beberapa fitur gerakan yang tidak dapat diprediksi dalam jangka panjang," kata Devoret. Terlebih lagi, pengetahuan tentang bagaimana sistem berubah dari waktu ke waktu memungkinkan para peneliti untuk "memutar balik rekaman itu" dan menghindari "keruntuhan fungsi gelombang" yang tampaknya tidak dapat dipulihkan dari formalisme kuantum standar. Begitulah cara para peneliti mampu membalikkan lompatan kuantum pada lintasan yang dilaluinya.

Hasil eksperimen menunjukkan sesuatu yang lebih dalam daripada fakta bahwa teori itu bekerja untuk sistem kuantum tunggal. Ini berarti bahwa "lintasan kuantum" yang sangat abstrak yang dirujuk teori ini (istilah yang diciptakan pada 1990-an oleh fisikawan Howard Carmichael, salah seorang penulis makalah Yale) adalah entitas yang bermakna dalam kata-kata Minev, "dapat dianggap sebagai gelar realitas”. Hal ini kontras dengan pandangan umum ketika QTT pertama kali diperkenalkan, yang menyatakan bahwa itu hanya alat matematika tanpa signifikansi fisik yang jelas.

Tapi apa sebenarnya lintasan ini? Satu hal yang jelas: Ini tidak seperti lintasan klasik, artinya jalur yang diambil di dalam sebuah ruang. Hal ini seperti jalur yang diambil melalui ruang abstrak dari kemungkinan keadaan yang mungkin dimiliki sistem, yang disebut ruang Hilbert. Dalam teori kuantum tradisional, bahwa jalur itu dijelaskan oleh fungsi gelombang dari persamaan Schrödinger. Namun yang terpenting, QTT juga dapat mengatasi bagaimana pengukuran mempengaruhi jalur itu, yang tidak bisa dilakukan oleh persamaan Schrödinger. Akibatnya, teori ini menggunakan pengamatan yang cermat dan lengkap tentang cara sistem berperilaku sejauh ini untuk memprediksi apa yang akan dilakukan di masa depan.

Anda dapat membandingkan ini dengan meramalkan lintasan molekul udara tunggal. Persamaan Schrödinger memainkan peran sedikit seperti persamaan difusi klasik, yang memprediksi seberapa jauh rata-rata partikel molekul udara berjalan dari waktu ke waktu ketika mengalami tabrakan. Tetapi QTT memprediksi ke mana partikel tertentu akan pergi, berdasarkan perkiraan pada informasi terperinci tentang tabrakan yang dialami partikel tersebut. Keacakan masih dimainkan: Anda tidak dapat memprediksi lintasan dengan sempurna dalam kedua kasus tersebut. Tapi QTT akan memberi Anda peristiwa yang dialami partikel tunggal tersebut dan kemampuan untuk melihat ke mana ia akan menuju selanjutnya.

2 comments: Teori Kuantum yang Mengupas Misteri Pengukuran