Mekanika kuantum dan termodinamika keduanya bisa benar, kata fisikawan – Dunia Fisika

Fisikawan di Belanda dan Jerman telah menunjukkan bahwa teori termodinamika dan mekanika kuantum keduanya merupakan cara yang valid untuk menggambarkan perilaku foton dalam prosesor kuantum. Hasilnya, yang diperoleh para peneliti di University of Twente dan Freie Universität Berlin, membuka pintu untuk pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana merekonsiliasi kedua teori besar ini.

Termodinamika dan mekanika kuantum adalah landasan fisika modern, tetapi dalam satu hal yang spesifik dan penting, keduanya tidak akur. Titik pertentangan berkisar hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa sistem tertutup akan bergerak menuju entropi maksimum (ukuran ketidakteraturan sistem, atau kekacauan) dengan cara yang tidak dapat diubah. Sebaliknya, teori mekanika kuantum memungkinkan keadaan partikel sebelumnya dihitung kembali, yang berarti bahwa aliran informasi dan waktu keduanya dapat dibalik.

Dalam beberapa tahun terakhir, ada beberapa upaya untuk mengeksplorasi konflik ini menggunakan sistem kuantum terjerat seperti atom ultracold atau bit kuantum superkonduktor (qubit). Dengan mengamati apa yang terjadi ketika sistem ini termalisasi dan seimbang, seharusnya dimungkinkan untuk mengukur entropi dan status kuantumnya pada saat yang sama, dan dengan demikian memecahkan paradoks tersebut.

Masalahnya adalah sistem kuantum sangat sensitif terhadap interaksi dengan lingkungannya. Ini menyulitkan untuk membuat sistem yang benar-benar tertutup. Mereka juga cenderung kehilangan sifat kuantumnya, sebuah proses yang dikenal sebagai dekoherensi, yang membuat pembalikan waktu sulit diterapkan.

Fotonik untuk menyelamatkan

Untuk mengatasi tantangan ini, tim memilih untuk mempelajari termalisasi dan kesetimbangan dalam sistem foton terjerat. Foton memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sistem kuantum yang terdiri dari (misalnya) atom. Sifat kuantum intrinsik mereka berarti mereka tidak menderita dekoherensi. Mereka dapat dipelajari pada suhu kamar, berbeda dengan suhu sangat rendah yang diperlukan untuk atom, dan mudah dimanipulasi dengan interferensi. Yang paling penting, mereka memungkinkan pembalikan waktu: setiap pencampuran foton dapat dibalik dengan melakukan operasi invers, yang berarti bahwa foton yang terjerat dapat, pada dasarnya, "diuraikan".

Dalam eksperimennya, para peneliti memulai dengan menyuntikkan foton tunggal ke dalam saluran pandu gelombang pada sebuah chip. Foton ini mengganggu tempat saluran fotonik pada chip bertemu dan bersilangan. Gangguan ini, yang dikendalikan oleh tim dengan interferometer termo-optik Mach-Zehnder, menciptakan superposisi foton dalam pandu gelombang dan memungkinkan keterikatan terbentuk. Foton kemudian dideteksi dengan detektor foton tunggal.

Sekaligus benar

Untuk menentukan peningkatan entropi lokal dan total sistem, para peneliti melakukan serangkaian protokol. Reversibilitas waktu, misalnya, diimplementasikan dengan menguraikan foton, yang dimungkinkan karena kontrol penuh yang diberikan prosesor atas percobaan.

Setelah protokol ini selesai, pengukuran di saluran output individu percobaan menunjukkan bahwa nomor foton tidak lagi dapat ditentukan secara tepat. Ini karena foton berada dalam keadaan terjerat bersama-sama dan tidak lagi terlokalisasi secara individual dalam satu saluran seperti saat berada di input. Namun, statistik foton yang diukur para peneliti di setiap saluran menunjukkan bahwa entropi meningkat secara lokal di semua saluran, konsisten dengan hukum kedua termodinamika. Pada saat yang sama, keterikatan yang dibangun di antara foton tidak terlihat di saluran individu: hanya ketika mempertimbangkan keseluruhan sistem barulah menjadi jelas bahwa keadaan kuantum keseluruhan dalam bentuk murni, konsisten dengan mekanika kuantum.

Sebagai pemeriksaan terakhir, fisikawan melakukan operasi untuk mengembalikan prosesor ke keadaan semula (pembalikan waktu). Keberhasilan operasi ini membuktikan bahwa proses termalisasi dan ekuilibrasi disebabkan oleh keterikatan antara partikel kuantum, bukan interaksi dengan lingkungan. Oleh karena itu, percobaan menunjukkan bahwa termodinamika dan mekanika kuantum keduanya bisa benar pada saat yang bersamaan.

Data berkualitas tinggi

Menurut Pepijn Pinkse, seorang ahli optik kuantum di University of Twente, tantangan terbesar tim adalah mendapatkan cukup data berkualitas tinggi untuk melakukan pengukuran. Kerugian rendah dalam prosesor fotonik membantu, katanya, dan lebih banyak foton dan prosesor yang lebih besar harus memungkinkan mereka untuk mensimulasikan lebih banyak sistem. Elemen terlemah dalam rantai, tambahnya, tampaknya menjadi sumber foton: "Kami memiliki setidaknya 12 saluran input, tetapi hanya tiga foton pada saat yang sama untuk bereksperimen, jadi ada ruang untuk perbaikan di sana," katanya. Dunia Fisika.

Teori tanpa tanda jasa: mengapa termodinamika sama pentingnya dengan mekanika kuantum dan relativitas umum

Nicole Yunger Halpern, seorang ahli termodinamika kuantum di Institut Standar dan Teknologi Nasional AS (NIST) yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut, mengatakan bahwa eksperimen ini penting karena meluas ke pekerjaan foton sebelumnya yang melibatkan atom ultradingin, ion yang terperangkap, dan qubit superkonduktor. Perubahan platform ini, katanya, memungkinkan para peneliti untuk membatalkan proses yang membuat sistem menyeimbangkan secara internal, sehingga memungkinkan untuk menyimpulkan bahwa sistem telah mempertahankan sifat kuantumnya saat menyeimbangkan. Melakukan hal ini membutuhkan "kontrol yang sangat baik", catatnya, menambahkan bahwa tantangan untuk mencapai kontrol ini telah menyebabkan kelompok yang menggunakan platform lain mengalami kecemasan yang signifikan selama beberapa tahun terakhir.

Penelitian ini dipublikasikan di Alam Komunikasi.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Otomotif / EV, Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• BlockOffset. Modernisasi Kepemilikan Offset Lingkungan. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/