Kucing Schrödinger terberat dicapai dengan menempatkan kristal kecil dalam superposisi dua keadaan osilasi

Bahkan jika Anda bukan seorang fisikawan kuantum, Anda mungkin pernah mendengar tentang kucing terkenal Schrödinger. Erwin Schrödinger menemukan kucing yang bisa hidup dan mati pada saat yang sama dalam sebuah eksperimen pemikiran pada tahun 1935. Kontradiksi yang nyata – lagipula, dalam kehidupan sehari-hari kita hanya melihat kucing hidup atau mati – telah mendorong para ilmuwan untuk mencoba untuk memahami situasi serupa in vitro. Sejauh ini, mereka telah mampu melakukannya dengan menggunakan, misalnya, atom atau molekul dalam keadaan superposisi mekanika kuantum yang berada di dua tempat pada waktu yang sama.

Di ETH, tim peneliti yang dipimpin oleh Yiwen Chu, seorang profesor di Laboratorium Fisika Solid State, menciptakan kucing Schrödinger yang jauh lebih berat dengan menempatkan kristal kecil dalam superposisi dua keadaan osilasi. Hasilnya diterbitkan minggu ini di jurnal Ilmudapat menghasilkan qubit yang lebih kuat dan menjelaskan misteri mengapa superposisi kuantum tidak teramati di dunia makroskopis.

kucing di dalam kotak

Dalam eksperimen pemikiran asli Schrödinger, seekor kucing dikunci di dalam kotak logam dengan bahan radioaktif, penghitung Geiger, dan sebotol racun. Dalam jangka waktu tertentu—satu jam, misalnya—sebuah atom dalam materi mungkin meluruh atau tidak meluruh melalui proses mekanika kuantum dengan probabilitas tertentu, dan produk peluruhan dapat menyebabkan penghitung Geiger meledak dan memicu mekanisme yang menghancurkan botol berisi racun yang pada akhirnya akan membunuh kucing tersebut.

Karena pengamat luar tidak dapat mengetahui apakah atom benar-benar meluruh, dia juga tidak mengetahui apakah kucing itu hidup atau mati – menurut mekanika kuantum, yang mengatur peluruhan atom, ia harus dalam keadaan superposisi hidup/mati. (Gagasan Schrödinger diperingati dengan sosok kucing seukuran manusia di luar bekas rumahnya di Huttenstrasse 9 di Zurich.)

“Tentu saja, di laboratorium kami tidak dapat mencapai percobaan seperti itu dengan kucing sungguhan yang beratnya beberapa kilogram,” kata Zhu. Sebaliknya, dia dan rekan-rekannya berhasil membuat apa yang disebut keadaan kucing menggunakan kristal berosilasi, yang mewakili kucing, dengan sirkuit superkonduktor yang mewakili atom asli. Sirkuit ini pada dasarnya adalah qubit atau qubit yang dapat mengambil status logis “0” atau “1” atau superposisi dari kedua status tersebut, “0 + 1”.

Hubungan antara qubit dan kristal “kucing” bukanlah penghitung Geiger dan racun, melainkan lapisan bahan piezoelektrik yang menciptakan medan listrik saat kristal berubah bentuk saat berosilasi. Medan listrik ini dapat digabungkan dengan medan listrik qubit, dan dengan demikian status superposisi qubit dapat ditransfer ke kristal.

Getaran simultan dalam arah yang berlawanan

Akibatnya, kristal sekarang dapat berayun dalam dua arah pada saat yang sama – misalnya naik/turun dan turun/naik. Kedua arah ini mewakili keadaan kucing “hidup” atau “mati”. “Dengan melapiskan dua keadaan osilasi dalam kristal, kami telah secara efektif menciptakan kucing Schrödinger berukuran 16 mikrogram,” jelas Zhou. Itu kira-kira massa butiran pasir halus dan tidak sebesar kucing, tetapi masih miliaran kali lebih berat daripada atom atau molekul, menjadikannya kucing kuantum paling gemuk.

Agar goyangan menjadi kondisi kucing yang sebenarnya, penting agar goyangan tersebut dapat dibedakan dengan mata telanjang. Ini berarti bahwa pemisahan antara keadaan “naik” dan “turun” harus lebih besar daripada fluktuasi termal atau kuantitatif apa pun dari posisi atom di dalam kristal. Zhou dan rekannya memeriksa ini dengan mengukur pemisahan spasial dari dua keadaan menggunakan qubit superkonduktor. Meskipun jarak yang diukur hanya sepersejuta dari sepermiliar meter—bahkan lebih kecil dari atom—itu cukup besar untuk membedakan keadaan dengan jelas.

Ukur gangguan kecil dengan kasus kucing

Di masa depan, Chu ingin mendorong batas blok kucing kristalnya lebih jauh lagi. “Ini menarik karena memungkinkan kita untuk lebih memahami mengapa efek kuantum menghilang di dunia makroskopis kucing sungguhan,” katanya.

Selain minat akademis ini, ada juga aplikasi potensial dalam teknologi kuantum. Misalnya, informasi kuantum yang disimpan dalam qubit dapat dibuat lebih kuat dengan menggunakan status kucing yang terdiri dari sejumlah besar atom dalam kristal daripada mengandalkan atom atau ion tunggal, seperti yang dipraktikkan saat ini. Selain itu, sensitivitas ekstrem objek masif dalam keadaan superposisi terhadap derau eksternal dapat dimanfaatkan untuk melakukan pengukuran yang tepat terhadap gangguan kecil seperti gelombang gravitasi atau untuk mendeteksi materi gelap.