Peneliti ETH Zurich Mendemonstrasikan Korelasi Mekanik Kuantum di Jarak Jauh

Dipimpin oleh Andreas Wallraff, profesor fisika keadaan padat, para peneliti melakukan uji Bell tanpa celah untuk menyangkal konsep “kausalitas lokal” yang dirumuskan oleh Albert Einstein sebagai respons terhadap mekanika kuantum. Dengan menunjukkan bahwa objek mekanika kuantum yang berjauhan dapat berkorelasi lebih kuat satu sama lain daripada yang dimungkinkan dalam sistem konvensional, para peneliti telah memberikan konfirmasi lebih lanjut untuk mekanika kuantum. Yang istimewa dari eksperimen ini adalah para peneliti untuk pertama kalinya dapat melakukannya menggunakan sirkuit superkonduktor, yang dianggap sebagai kandidat yang menjanjikan untuk membangun komputer kuantum yang kuat.

Tes Bell didasarkan pada pengaturan eksperimental yang awalnya dirancang sebagai eksperimen pemikiran oleh fisikawan Inggris John Bell pada 1960-an. Bell ingin menyelesaikan pertanyaan yang telah diperdebatkan oleh para ahli fisika pada tahun 1930-an: Apakah prediksi mekanika kuantum, yang benar-benar berlawanan dengan intuisi sehari-hari, atau apakah konsep kausalitas konvensional juga berlaku dalam mikrokosmos atom, seperti yang diyakini Albert Einstein?

Untuk menjawab pertanyaan ini, Bell mengusulkan untuk melakukan pengukuran acak pada dua partikel terjerat pada saat yang sama dan membandingkannya dengan pertidaksamaan Bell. Jika konsep kausalitas lokal Einstein benar, eksperimen ini akan selalu memenuhi ketidaksetaraan Bell. Sebaliknya, mekanika kuantum memprediksi bahwa mereka akan melanggarnya.

Pada awal 1970-an, John Francis Clauser, yang dianugerahi Hadiah Nobel Fisika tahun lalu, dan Stuart Freedman melakukan tes Bell praktis pertama. Dalam eksperimennya, kedua peneliti tersebut mampu membuktikan bahwa ketimpangan Bell memang dilanggar. Tetapi mereka harus membuat asumsi tertentu dalam eksperimen mereka untuk dapat melakukannya sejak awal. Jadi, secara teoretis, mungkin Einstein benar untuk bersikap skeptis terhadap mekanika kuantum.

Namun, seiring waktu, lebih banyak celah ini dapat ditutup. Akhirnya, pada tahun 2015, berbagai kelompok berhasil melakukan pengujian Bell pertama yang benar-benar bebas celah, dengan demikian akhirnya menyelesaikan perselisihan lama.

Kelompok Wallraff mengatakan mereka sekarang dapat mengkonfirmasi hasil ini dengan percobaan baru. Karya para peneliti ETH diterbitkan dalam jurnal ilmiah terkenal Alam menunjukkan bahwa penelitian tentang topik ini belum selesai, meskipun konfirmasi awal tujuh tahun lalu. Ada beberapa alasan untuk ini. Untuk satu hal, percobaan para peneliti ETH menegaskan bahwa sirkuit superkonduktor juga beroperasi sesuai dengan hukum mekanika kuantum, meskipun mereka jauh lebih besar daripada objek kuantum mikroskopis seperti foton atau ion. Sirkuit elektronik berukuran beberapa ratus mikrometer yang terbuat dari bahan superkonduktor dan dioperasikan pada frekuensi gelombang mikro disebut sebagai objek kuantum makroskopik.

Untuk hal lain, tes Bell juga memiliki arti praktis. “Tes Bell yang dimodifikasi dapat digunakan dalam kriptografi, misalnya, untuk menunjukkan bahwa informasi sebenarnya dikirimkan dalam bentuk terenkripsi,” jelas Simon Storz, seorang mahasiswa doktoral di kelompok Wallraff. “Dengan pendekatan kami, kami dapat membuktikan jauh lebih efisien daripada yang mungkin dilakukan dalam pengaturan eksperimental lain bahwa ketidaksetaraan Bell dilanggar. Itu membuatnya sangat menarik untuk aplikasi praktis.

Jadi, saat menyiapkan percobaan, penting untuk mencapai keseimbangan: semakin jauh jarak antara dua sirkuit superkonduktor, semakin banyak waktu yang tersedia untuk pengukuran – dan semakin kompleks pengaturan percobaan jadinya. Ini karena seluruh percobaan harus dilakukan dalam ruang hampa mendekati nol mutlak.

Para peneliti ETH telah menentukan jarak terpendek untuk melakukan tes Bell bebas celah yang sukses adalah sekitar 33 meter, karena dibutuhkan partikel cahaya sekitar 110 nanodetik untuk menempuh jarak ini dalam ruang hampa. Itu beberapa nanodetik lebih lama dari yang dibutuhkan para peneliti untuk melakukan percobaan.

Tim Wallraff telah membangun fasilitas yang mengesankan di lorong bawah tanah kampus ETH. Pada kedua ujungnya terdapat cryostat yang mengandung sirkuit superkonduktor. Kedua peralatan pendingin ini dihubungkan dengan tabung sepanjang 30 meter yang bagian dalamnya didinginkan hingga suhu sedikit di atas nol mutlak (–273.15°C).

Sebelum dimulainya setiap pengukuran, foton gelombang mikro ditransmisikan dari salah satu dari dua sirkuit superkonduktor ke sirkuit lainnya sehingga kedua sirkuit menjadi terjerat. Generator angka acak kemudian memutuskan pengukuran mana yang dilakukan pada dua sirkuit sebagai bagian dari uji Bell. Selanjutnya, hasil pengukuran pada kedua sisi dibandingkan.

Setelah mengevaluasi lebih dari satu juta pengukuran, para peneliti telah menunjukkan dengan kepastian statistik yang sangat tinggi bahwa ketimpangan Bell dilanggar dalam pengaturan eksperimental ini. Dengan kata lain, mereka telah memastikan bahwa mekanika kuantum juga memungkinkan korelasi non-lokal dalam sirkuit listrik makroskopis dan akibatnya sirkuit superkonduktor dapat terjerat dalam jarak yang jauh. Ini membuka kemungkinan aplikasi yang menarik di bidang komputasi kuantum terdistribusi dan kriptografi kuantum.

Membangun fasilitas dan melakukan pengujian merupakan sebuah tantangan, kata Wallraff. “Kami dapat membiayai proyek selama enam tahun dengan pendanaan dari ERC Advanced Grant.” Hanya mendinginkan seluruh pengaturan eksperimental ke suhu mendekati nol mutlak membutuhkan usaha yang besar. “Ada 1.3 ton tembaga dan 14,000 sekrup di mesin kami, serta banyak pengetahuan fisika dan pengetahuan teknik,” kata Wallraff. Dia percaya bahwa pada prinsipnya dimungkinkan untuk membangun fasilitas yang mengatasi jarak yang lebih jauh dengan cara yang sama. Teknologi ini, misalnya, dapat digunakan untuk menghubungkan komputer kuantum superkonduktor dalam jarak yang sangat jauh.