Nobel Fisika 2012 untuk Kuantum Optik (lagi)

Posted on October 10, 2012

Ya, ini adalah kali kedua dalam kurun tujuh tahun topik kuantum optik mendapat Hadiah Nobel. Serge Haroche (kiri) dan David J. Wineland (kanan) berbagi hadiah Nobel Fisika 2012

“atas keberhasilan metode mereka yang memungkinkan kita mengukur dan memanipulasi keadaan individu sebuah sistem kuantum”.

Serge Haroche adalah seorang fisikawan Prancis kelahiran Maroko. Saat Hadiah Nobel diumumkan, beliau berafiliasi untuk Collège de France (Paris) dan ENS (Paris), semacam SMA swasta yang bergengsi di Prancis. Sedangkan David Wineland adalah fisikawan Amerika Serikat yang sedang bekerja untuk NIST di Universitas Colorado, Amerika Serikat. Mereka berbagi hadiah sebanyak delapan juta Kronor (Kronor adalah mata uang Swedia).

Haroce dan Wineland bekerja terpisah, dengan metode berbeda, untuk mengukur sebuah parameter fundamental dalam fisika, “quantum state” atau keadaan kuantum. Parameter ini mengandung sejumlah besaran fisis dan biasanya diekspresikan dalam sebuah fungsi yang dikenal dengan fungsi gelombang.

Apa itu keadaan kuantum?

Keadaan kuantum dihadirkan para fisikawan teoritis untuk menggambarkan sebuah sistem yang teramat kecil. Sistem ini dapat berupa partikel, seperti elektron, dan dapat juga berupa gelombang, seperti cahaya (lihat “Berapa massa warna biru?”.) Misalnya untuk menyatakan sebuah elektron yang mengorbit pada atom Hidrogen, fisikawan menciptakan bilangan kuantum (n, m, l, s). Bilangan n untuk menyatakan “kulit”, bilangan “m” untuk menyatakan sub-kulit, bilangan “l” untuk menyatakan “orbit di dalam sub-kulit” dan terakhir bilangan “s” untuk menyatakan spin, atau arah putaran elektron terhadap poros yang berada dalam dirinya sendiri.

Semenjak teori kuantum dibangun, sekitar awal tahun 1900-an, mengukur keadaan kuantum ini adalah salah satu impian besar para fisikawan. Bagaimana tidak, hukum-hukum fisika yang mengatur benda-benda kecil (mikroskopik) berbeda dengan yang mengatur benda-benda besar (makroskopik).

Dunia makroskopik itu kasat mata sehingga menjadi acuan bagi akal sehat kita. Misalnya, pada waktu tertentu, kita sedang berada pada posisi tertentu, sebuah keadaan yang pasti dan teramati. Berbeda dengan dunia mikroskopik, pada waktu tertentu, sebuah elektron dalam sebuah atom dapat berada dalam dua keadaan berbeda, atau bahkan lebih. Ini tentu melanggar “akal sehat” kita. Inilah yang menjadi dasar eksperimen-pikiran yang terkenal dari Schroedinger: kucing dalam sebuah kotak tertutup yang kemudian menghisap racun berada dalam keadaan hidup DAN mati pada waktu yang bersamaan. Kombinasi dua keadaan atau lebih untuk menyatakaan keadaan sebuah sistem kuantum ini disebut prinsip superposisi.

Apa susahnya mengukur keadaan kuantum?

Karena konsep pengukuran menyaratkan yang diukur “mengenai” alat ukur, lahirlah sebuah paradoks. Misalnya kucing Schroedinger tadi, untuk memastikan apakah kucing itu hidup atau mati, salah satu cara adalah membuka kotaknya. Tapi, membuka kotak tersebut sama dengan menghancurkan sistem. Siapa tahu kucing mati gara-gara kotak dibuka, sebaliknya siapa tahu kucing tidak jadi mati gara-gara kotak dibuka. Pengukuran keadaan elektron dengan teknik klasik juga begitu. Pada prinsipnya alat ukur kita memaksa elektron untuk berada di lokasi yang kita inginkan, sehingga elektron yang kita ukur tidak lagi berada pada keadaan yang sebenarnya ingin kita ketahui.

Di sinilah metode yang dikembangkan Haroche dan yang dikembangkan Wineland memberikan terobosan baru dan penting. Wineland dan grupnya mempelajari keadaan kuantum ion yang ditangkap di dalam medan listrik dan memodifikasi keadaan tersebut dengan laser (Phys. Rev. Lett. 57, 1699, (1986)). Sementara Haroche dan grupnya mempelajari keadaan kuantum cahaya yang ditangkap di antara dua cermin dan memodifikasi keadaan tersebut dengan sejumlah atom tertentu (Phys. Rev. Lett. 59, 1899, (1987)).

Dengan kata lain, jika Wineland mengontrol partikel dengan cahaya, maka Haroche mengontrol cahaya dengan partikel.

Rincian teknik mereka akan saya bahas lain waktu, jika tidak sabar Anda dapat langsung membaca di situs nobel.se, hehe.

Teknik yang mereka kembangkan ini kemudian menjadi acuan dalam eksperimen-eksperimen kuantum lainnya. Misalnya, saya ingat sewaktu saya masih di KVI, Groningen, ada grup eksperimen yang mencoba memerangkap ion dari atom tertentu dengan teknik penyinaran laser untuk sejumlah tujuan.

Lantas, apa hubungannya dengan kuantum optik seperti judul artikel ini?

Metode-metode yang dikembangkan oleh Wineland dan Haroche ini mengacu pada prinsip “interaksi cahaya dan materi”. Mengontrol ion dengan cahaya dan mengontrol cahaya dengan atom adalah contoh-contoh aplikasi dari interaksi cahaya dan materi.

Interaksi cahaya dan materi adalah sumber dari banyak fenomena di jagad raya ini. Kita dapat melihat adalah karena interaksi cahaya dan materi. Pelangi tercipta adalah karena interaksi cahaya dan materi. Teknologi elektronik canggih yang kita nikmati sekarang ini, termasuk Internet, adalah fenomena yang berasal dari interaksi cahay dan materi. Interaksi cahaya dan materi mendominasi, tidak hanya hidup kita, tapi juga dunia kita. Ingin memahami alam semesta? Kuasai ilmu interaksi cahaya dan materi…

Sebelum ini, Hadiah Nobel untuk bidang kuantum optik telah diberikan kepada Roy Galuber (AS), John Hall (AS) dan Theodor Hansc (Jerman) pada tahun 2005. Hadiah untuk Galuber karena “kontribusinya pada teori kuantum untuk koheren optik”, sedangkan untuk Hall dan Hansc karena “kontribusinya pada pengembangan spektroskopi berbasis laser”.

Buat apa kedua metode ini?

Bicara Hadiah Nobel adalah bicara tentang dampak ilmu pengetahuan pada umat manusia. Setidak-tidaknya, begitulah wasiat Alfred Nobel terkait dengan hadiah Nobel ini.

Saat konferensi pers pengumuman Hadiah Nobel Fisika 2012, anggota dari The Royal Swedish Academy of Sciences, yaitu lembaga yang menjadi juri untuk Nobel Fisika, menjelaskan bahwa setidak-tidaknya ada dua dampak dari metode yang dikembangkan oleh Wineland dan oleh Haroche ini.

Dampak pertama adalah teknik Wineland telah membuka kemungkinan realisisasi komputer kuantum.

Komputer yang ada sekarang berbasis pada muatan elektron: tidak ada muatan (0) dan ada muatan (1). Komputer kuantum berbasis pada keadaan elektron, karena keadaan elektron adalah superposisi dari sejumlah keadaan, maka komputer dapat bekerja jauh lebih cepat daripada komputer klasik seperti sekarang ini. Konsep komputer kuantum ini telah lama ada, tapi tidak dapat diwujudkan sebelum kita dapat mengontrol keadaan-keadaan elektron tersebut.

Saya rasa penting untuk diperhatikan bahwa komputer kuantum beda dengan komputasi kuantum, beda pula dengan komputer yang bekerja dengan spin elektron. Komputasi kuantum adalah perhitungan-perhitungan numerik untuk sistem kuantum. Komputer yang bekerja dengan spin elektron, sebagai tambahan dari muatan elektron, disebut teknologi spintronik. Hadiah Nobel Fisika 2007 adalah tentang spintronik,

Dampak kedua adalah teknik Haroche telah membuka kemungkinan realisasi arloji optik dengan tingkat akurasi dan presisi terbaik yang akan pernah ada. Dijelaskan dalam konferensi pers tersebut bahwa jika arloji itu sudah ada semenjak Alam Semesta terbentuk, sekitar 14 ribu milyar atau 14 x 109 tahun yang lalu, maka pada hari ini arloji tersebut hanya menyimpang 5 detik dari waktu yang sesungguhnya.

Kesimpulan

Begitulah. David Wineland dan Serge Haroche telah membuat dan mengimplementasikan metode dan teknologi baru yang memungkinkan kita untuk mengukur dan mengontrol keadaan individu dari sistem kuantum dengan akurasi yang tinggi. Teknik yang mereka kembangkan memungkinkan kita untuk mempelajari dekoherensi evoluasi keadaan kuantum, yang merupakan langkah pertama menuju realisasi komputer kuantum dan arloji optik paling akurat.

http://diary.febdian.net/2012/10/10/nobel-fisika-2012-untuk-kuantum-optik-lagi/#more-1542