Kerugian yang menipu – Optik kuantum memanfaatkan foton dalam samaran yang berbeda


Ilmuwan Universitas Rostock berhasil mengendalikan pasangan foton di sirkuit fotonik kuantum dengan disipasi yang disesuaikan. Pilihan perspektif pengamatan yang tepat memungkinkan para peneliti untuk memaksa partikel cahaya ke dalam perilaku paradoks mendasar. Hasil mereka diterbitkan dalam jurnal terkenal “Nature Photonics”.

Kesan seniman tentang pengukuran yang bergantung pada perspektif: Struktur kompleks yang dilihat melalui cermin dari posisi berbeda. Tampak samping menunjukkan huruf Yunani (“Lambda”), sedangkan tampak dari belakang berupa huruf Yunani (“Sigma”). Bentuk sebenarnya hanya menjadi terlihat ketika perspektif baru dipilih. Kredit gambar: Universitas Rostock/Julia Tetzke

Menggergaji asisten menjadi dua, menarik kelinci dari topinya, dan melayang – “prestasi sihir” klasik ini adalah materi wajib untuk setiap ilusionis yang bercita-cita tinggi. Namun, trik semacam itu jelas tidak melibatkan sesuatu yang supernatural, melainkan dilakukan dengan menggabungkan ketangkasan, sulap, dan penyesatan yang rumit untuk menarik perhatian penonton dari apa yang sebenarnya terjadi di atas panggung.

“Hukum alam tidak dapat dilanggar atau dielakkan. Namun, bahkan dalam fisika, perhatian khusus terhadap detail seringkali diperlukan untuk melihat melalui trik alam,” renung Profesor Alexander Szameit sehubungan dengan temuan terbaru timnya.

Dengan kelompok penelitiannya di University of Rostock, ia mengkhususkan diri dalam memanfaatkan cahaya untuk teknologi masa depan. Bahkan saat ini, berbagai aplikasi cahaya mulai dari pemrosesan material yang presisi hingga teknik biomedis dan transmisi informasi dalam jumlah yang terus meningkat melalui kabel serat optik merupakan bagian integral dari kehidupan sehari-hari. “Dengan cara yang sama, fotonik akan segera merevolusi pemrosesan informasi,” prediksi Szameit berdasarkan penelitian fundamentalnya di Institut Fisika Universitas Rostock.

Optik kuantum memanfaatkan perilaku magis foton, partikel cahaya terkecil. “Diberi kesempatan untuk menghilang seperti kelinci yang ditempatkan kembali ke topi, ‘keajaiban’ optik kuantum terungkap,” Szameit melukiskan gambaran yang jelas tentang proses mekanika kuantum yang menarik dan melanjutkan:

“Namun, bahkan jika mereka tidak menghilang, kemungkinan untuk melakukannya secara mendasar mengubah cara mereka berperilaku.” Matthias Heinrich, rekan penulis dan anggota tim Szameit menimpali: “Pasangan foton cenderung hampir tidak dapat dipisahkan. Namun, jika beberapa dari mereka dibuat menghilang dalam percobaan, pasangan yang tersisa mulai berpisah.”

Jenis perilaku yang secara fundamental berlawanan ini biasanya merupakan ciri khas dari dua kelas partikel yang berbeda secara fundamental: Boson, seperti foton, diketahui saling menempel – perilaku yang dikenal sebagai “berkumpul”. Fermion, bahan penyusun materi, bagaimanapun, tidak dapat berdiri bersama satu sama lain – mereka menampilkan “anti-bunching”.

Dari kiri ke kanan: Alexander Szameit, Matthias Heinrich dan Max Ehrhardt adalah penulis makalah baru di “Nature Photonics”. Kredit gambar: Universitas Rostock/Julia Tetzke

Fisikawan Rostock mengarahkan aliran foton melalui sirkuit fotonik on-chip yang ditulis dengan laser. Pendekatan yang sangat berguna dalam hal ini ternyata adalah polarisasi: Arah, di mana partikel cahaya berosilasi.

“Dalam percobaan kami, polarisasi memainkan peran perspektif pengamat terhadap pasangan foton,” jelas Max Ehrhardt, mahasiswa PhD dan penulis pertama makalah ini. “Dilihat dari satu arah, foton memiliki penampilan yang biasa sebagai boson. Namun, dari arah tegak lurus, orang melihat fermion.” Szameit menjelaskan: “Ini hampir terasa seperti mencoba menangkap seorang ilusionis yang terampil: Perspektif sangat penting untuk melihat bagaimana trik itu bekerja. Dan, seperti yang terjadi, pemandangan itu jarang disajikan kepada penonton.”

Implikasi dari penemuan mengejutkan ini cukup nyata, bagaimanapun, dan memberikan cahaya yang sama sekali baru pada bidang optik kuantum non-Hermitian yang muncul. Cabang baru ilmu cahaya ini memungkinkan foton menghilang atau berkembang biak – sesuatu yang dilarang keras dilakukan dalam optik kuantum konvensional. Sedangkan membedakan boson dan fermion biasanya adalah tugas yang mudah, mengidentifikasi sifat sebenarnya dari partikel dengan adanya disipasi membutuhkan perawatan yang jauh lebih besar.

Namun, dalam pandangan Szameit, kesulitan ini dapat diubah menjadi keuntungan: “Kerugian ada di mana-mana untuk foton. Bahkan kaca jendela yang tampaknya transparan menjebak antara sepuluh dan dua puluh persen cahaya yang melewatinya. Kaca berwarna menyerap fraksi yang lebih besar. Penemuan kami akan memungkinkan kami untuk menentukan kerugian yang tidak diinginkan di sirkuit fotonik dengan presisi tiada bandingnya.”

Kemampuan baru ini akan sangat berguna untuk desain dan validasi komputer kuantum yang akan datang, karena desain konvensional bergantung pada jumlah partikel pembawa informasi yang akan dilestarikan, dan hilangnya salah satu dari mereka pasti menyebabkan komputasi gagal. Sementara sejumlah tantangan tetap ada sampai teknik ini diterapkan dalam aplikasi kuantum berbasis cahaya, laju kemajuan yang cepat telah membawa ide-ide sedemikian rupa sehingga hari ini mungkin masih tampak seperti fiksi ilmiah yang hampir menjadi kenyataan.

Pekerjaan ini didukung oleh Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), European Research Council (ERC) dan Yayasan Alfried Krupp von Bohlen und Halbach.

Publikasi asli dalam “Nature Photonics” tersedia di DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-021-00943-3.

Sumber: Universitas Rostock