Mengamati kucing Schroedinger beraksi

Dalam tulisan sebelumnya telah dibahas tentang eksperimen pikiran yang digagas fisikawan Erwin Schroedinger sebagai ekspresi kegalauannya terhadap salah satu tafsiran fisika kuantum. Dalam eksperimen pikiran ini, Schroedinger menempatkan seekor kucing di dalam sebuah kotak yang terisolasi dari dunia luar dan meletakkan bahan radioaktif yang memiliki kemungkinan meluruh 50:50 serta terhubung dengan racun sianida. Schroedinger dalam eksperimen ini mencoba menjembatani dunia kuantum, dalam hal ini diwakili zat radioaktif, dengan dunia makro, diwakili oleh kucing, yang dapat kita amati sehari-hari. Dengan mengisolasi si kucing dalam kotak, si kucing akan terhubung dengan dunia kuantum dan akan bersifat seaneh perilaku dunia kuantum, yaitu berada dalam dua keadaan dalam waktu yang bersamaan, atau superposisi.

Fisikawan di tahun-tahun awal munculnya fisika kuantum, 1920-an hingga 1930-an, seringkali menggagas eksperimen pikiran. Hal ini dilakukan karena terbatasnya fasilitas eksperimen untuk mengamati fenomena kuantum yang terjadi di dunia mikro. Dengan berkembangnya teknologi, berkembang pula fasilitas dan teknik-teknik dalam eksperimen fisika yang memungkinkan fenomena-fenomena kuantum dapat teramati. Lalu, bagaiman dengan eksperimen kucing Schroedinger? Apakah mungkin mengamati superposisi kuantum tanpa membuka kotak? Jawabannya adalah mungkin.

Inti dari eksperimen kucing Schroedinger adalah bagaimana membawa fenomena kuantum ke dalam wilayah yang dapat teramati oleh pengamat manusia. Si kucing bisa berupa apapun yang terisolasi dari sekitarnya dan dapat menunjukan perilaku superposisi, berada dalam dua keadaan dalam waktu yang bersamaan. Benda-benda yang dapat berperilaku seperi ini berada di dunia sub-mikro, yaitu atom, ion, elektron, ataupun foton. Dengan teknik tertentu benda-benda kecil ini dapat diisolasi dari lingkungan sekitarnya, layaknya si kucing dalam eksperimen kucing Schroedinger. Ketika terisolasi mereka akan menunjukkan atraksi superposisinya. Atraksi mereka dapat dinikmati oleh fisikawan dengan menggunakan trik khusus, bahkan dalam batas tertentu fisikawan dapat mengendalikan supaya atraksi mereka dapat berlangsung lama.

Ion dalam perangkap

Eksperimen pengamatan kucing Schroedinger pertama kali dilakukan oleh sekelompok peneliti di National Institute of Standard and Technology (NIST) di Boulder, Colorado, Amerika Serikat. Kelompok peneliti NIST yang dipimpin Chris Monroe dan David Wineland ini pada tahun 1996 memerangkap ion Beryllium di dalam perangkap medan elektromagnetik untuk kemudian menembakkan laser yang meredam gerakan ion sehingga menurunkan temperaturnya hingga mencapai satu milikelvin. Kemudian mereka menembakkan dua laser berdenyut (pulsa) yang memiliki frekuensi sedikit berbeda untuk mengendalikan keadaan dari ion Beryllium. Dalam ion Beryllium keadaan ini diwakili oleh momentum sudut spin yang dapat menunjuk ke atas atau ke bawah. Spin di sini seperti magnet yang sangat kecil yang memiliki arah utara pada satu ujung dan selatan pada ujung lainnya. Laser berdenyut yang ditala dengan sangat cermat ini dapat digunakan untuk membawa spin dari ion Beryllium ke keadaan superposisi, yaitu keadaan spin atas dan spin bawah pada waktu yang bersamaan. Ini serupa dengan kucing Schroedinger yang hidup dan mati dalam waktu yang bersamaan.

Ilustrasi eksperimen ion dalam perangkap. Ion beryllium diperangkap dalam medan elektromagnet, laser digunakan untuk mendinginkan, memanipulasi, sekaligus mengamati keadaan energi dari ion beryllium [Kredit gambar: Johan Jarnestad/Royal Swedish Academy of Sciences

Ilustrasi eksperimen ion dalam perangkap. Ion beryllium diperangkap dalam medan elektromagnet, laser digunakan untuk mendinginkan, memanipulasi, sekaligus mengamati keadaan energi dari ion beryllium [Kredit gambar: Johan Jarnestad/Royal Swedish Academy of Sciences

Foton gelombang mikro dalam rongga

Eksperimen kucing Schroedinger dapat pula dilakukan pada foton. Tahun 1996, sekelompok peneliti di Ecole Normale Supérieure (ENS) di Paris, Perancis pimpinan Serge Haroche mengurung foton gelombang mikro di dalam sebuah rongga (C) yang tersusun atas dua buah cermin sferis yang terbuat dari bahan superkonduktor Niobium (Nb) dan mendinginkannya hingga mencapai 0,8 Kelvin. Haroche dkk. kemudian menembakkan atom Rydberg melewati rongga lain (R_1) tempat atom Rydberg diubah keadaanya menjadi superposisi dari spin atas dan spin bawah dengan bantuan gelombang mikro. Atom Rydberg yang berada dalam keadaan superposisi ini kemudian dikirimkan ke dalam rongga berisi foton gelombang mikro yang berinteraksi dengann atom Rydberg dan mengakibatkan perubahan fase pada keadaan energi dari atom Rydberg. Bayangkan atom sebagai gelombang yang memiliki fase tertentu.

Ilustrasi susunan eksperimen yang [Kredit gambar: The Royal Swedish Academi of Science]

Ilustrasi susunan eksperimen yang dilakukan oleh Haroche dkk.. Foton gelombang mikro dikurung dalam rongga C, atom-atom Rydberg ditembakkan ke dalam rongga C untuk memanipulasi sekaligus mengamati keadaan kuantum dari foton gelombang mikro.  [Kredit gambar: The Royal Swedish Academi of Science]

Perubahan fase ini bergantung dari ada atau tidaknya foton di dalam rongga. Ketika tidak ada foton di dalam rongga, perubahan fase yang terjadi adalah nol. Sebaliknya, ketika terdapat sebuah foton di dalam rongga fase akan berubah sebesar 180 derajat (\pi). Dengan begitu, ada atau tiadanya foton dapat teramati dari perubahan fase, begitu pula keadaan superposisi (kucing Schroedinger) si foton. Perubahan fase ini oleh Haroche dkk. diamati dengan cara mengirimkan atom Rydberg ini ke dalam rongga berikutnya (R_2) untuk mengembalikan keadaan energinya ke keadaan awal sebelum melewati rongga R1, lagi-lagi dengan bantuan gelombang mikro, untuk kemudian dilewatkan detektor (D) yang akan membaca keadaan energi dari atom Rydberg yang secara langsung mewakili keadaan superposisi dari foton di dalam rongga. Dalam eksperimen yang dilakukan Haroche dkk. ini, atom-atom Rydberg ditembakkan satu demi satu dalam satu waktu dengan kecepatan yang dikendalikan secara presisi sehingga Haroche dkk. dapat mengamati superposisi kucing Schroedinger layaknya menonton film tanpa harus membuka kotak yang hanya akan meruntuhkan keadaan superposisi dari si kucing.

Spin elektron dalam berlian

Jika dua eksperimen sebelumnya harus dilakukan di temperatur yang sangat dingin, eksperimen kucing Schroedinger dengan menggunakan berlian dapat dilakukan di temperatur ruang. Berlian yang digunakan dalam eksperimen ini merupakan berlian khusus yang memiliki cacat atomik berupa hilangnya atom karbon dan adanya atom asing berupa nitrogen. Berlian seperi ini dinamakan berlian dengan pusat NV (nitrogen-vacancy). Ingat, berlian murni hanya terdiri atas atom-atom karbon yang tersusun rapi. Berkat kecacatan ini, berlian ini memiliki dua elektron yang jika digabungkan memiliki momentum sudut spin total satu. Karena memiliki spin satu, elektron-elektron dalam berlian ini dapat berada dalam tiga keadaan berbeda, yaitu 0, +1, dan -1. Angka-angka ini menunjukkan arah yang ditunjuk oleh dua spin elektron, +1 jika dua spin menunjuk ke atas, -1 jika dua spin menunjuk ke bawah, dan 0 jika satu spin menunjuk ke atas dan lainnya menunjuk ke bawah.

(kiri) Struktur berlian dengan pusat NV. Gelombang mikro digunakan untuk memanipulasi keadaan spin dan laser digunakan untuk mengamati keadaan spin yang dimanifestasikan oleh cahaya fluoresens yang dipancarkan berlian. (kanan) Susunan keadaan energi dari spin dalam berlian dengan pusat NV; Spin 0 memancarkan cahaya fluoresens sedang spin +1 dan -1 gelap.

(kiri) Struktur berlian dengan pusat NV. Gelombang mikro digunakan untuk memanipulasi keadaan spin (bola dengan panah) dan laser digunakan untuk mengamati keadaan spin yang dimanifestasikan oleh cahaya fluoresens yang dipancarkan berlian. (kanan) Susunan keadaan energi dari spin dalam berlian dengan pusat NV; Spin 0 memancarkan cahaya fluoresens sedang spin +1 dan -1 gelap.

Dua dari tiga keadaan spin ini menunjukkan perilaku yang sangat berbeda ketika ditembak laser, menghasilkan cahaya fluoresens ketika berada dalam keadaan 0 dan gelap ketika berada dalam keadaan +1 atau -1. Dengan begitu, kita bisa menembakkan laser untuk mengetahui mengetahui keadaan spin dalam berlian pada satu waktu. Keadaan spin dalam berlian dapat dimanipulasi dengan cara menembakkan gelombang mikro dengan frekuensi yang sesuai dengan energi dari tiap keadaan spin. Dengan gelombang mikro yang berdenyut dengan durasi waktu tertentu, elektron dalam berlian dapat dikendalikan untuk berada dalam keadaan superposisi dan diamati dengan menembakkan laser berdenyut untuk kemudian mendeteksi cahaya yang dihasilkan oleh spin yang merupakan representasi dari keadaan dari spin dalam berlian. Laser dan gelombang mikro berdenyut ini ditembakkan secara berturut-turut dengan waktu penembakan dan durasi denyut yang dikendalikan dengan presisi. Dengan ini perubahan keadaan kuantum dari spin dalam berlian dapat teramati dari waktu ke waktu, termasuk keadaan superposisinya.

Referensi

[1] The Royal Swedish Academy of Science, "Particle control in a quantum world", The Nobel Prize in Physics 2012 Popular Science Background. Tersedia di: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/popular-physicsprize2012.pdf

[2] Class for Physics of The Royal Swedish Academy of Science, "Measuring and manipulating individual quantum system", Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2012. Tersedia di: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/advanced-physicsprize2012_02.pdf

[3] P. Yam, "Bringing Schrödinger’s Cat to Life", Scientific American, June, 1997.

[4] L. Childress and R. Hanson, "Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks", MRS Bulletin, 38, 134, 2013

 

Avatar

Dwi Prananto

Menyelesaikan Sarjana Teknik Fisika di ITS (2010), Master bidang Fisika Material Terkondensasi di Tohoku University (2013) dan PhD bidang Ilmu Material di JAIST (2019). Saat ini bekerja sebagai staf peneliti di Niigata University, Jepang.

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

CAPTCHA Image

*