Di dalam ilmu mekanika kuantum, kemampuan untuk mengamati dan mengendalikan fenomena kuantum pada suhu ruangan telah lama sulit dicapai, terutama dalam skala besar atau “makroskopis”. Secara tradisional, pengamatan semacam itu terbatas pada lingkungan yang dekat dengan nol mutlak, di mana efek kuantum lebih mudah dideteksi. Namun, kebutuhan akan suhu ekstrim tersebut telah menjadi hambatan utama, membatasi aplikasi praktis dari teknologi kuantum.
Sebuah penelitian yang dipimpin oleh Tobias J. Kippenberg dan Nils Johan Engelsen di EPFL, mengubah batas-batas dari apa yang mungkin dilakukan. Karya pionir ini menggabungkan fisika kuantum dan rekayasa mekanik untuk mencapai kontrol fenomena kuantum pada suhu ruangan.
Dalam penyiapan eksperimental mereka, yang dipublikasikan di Nature, para peneliti menciptakan sistem optomekanika ultra-rendah-noise—suatu sistem di mana cahaya dan gerakan mekanik saling berinteraksi, memungkinkan mereka untuk mempelajari dan memanipulasi bagaimana cahaya memengaruhi objek bergerak dengan presisi tinggi.
Masalah utama dengan suhu ruangan adalah noise termal, yang mengganggu dinamika kuantum yang halus. Untuk meminimalkan hal itu, para ilmuwan menggunakan cermin rongga, yang merupakan cermin khusus yang memantulkan cahaya bolak-balik di dalam ruang terbatas (rongga), secara efektif “menangkap” cahaya tersebut dan meningkatkan interaksinya dengan elemen mekanik dalam sistem. Untuk mengurangi noise termal, cermin-cermin tersebut dibuat dengan struktur periodik mirip kristal (“phononic crystal”).
Komponen penting lainnya adalah sebuah perangkat mirip drum berukuran 4mm yang disebut osilator mekanik, yang berinteraksi dengan cahaya di dalam rongga. Ukurannya yang relatif besar dan desainnya merupakan kunci untuk mengisolasi dari noise lingkungan, sehingga memungkinkan untuk mendeteksi fenomena kuantum yang halus pada suhu ruangan.
Penyiapan tersebut memungkinkan para peneliti untuk mencapai “penyempitan optik”, sebuah fenomena kuantum di mana beberapa properti cahaya, seperti intensitas atau fasa, dimanipulasi untuk mengurangi fluktuasi dalam satu variabel dengan mengorbankan peningkatan fluktuasi dalam variabel lainnya, sebagaimana yang ditentukan oleh prinsip Heisenberg.
Dengan mendemonstrasikan penyempitan optik pada suhu ruangan dalam sistem mereka, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat secara efektif mengontrol dan mengamati fenomena kuantum dalam sistem makroskopis tanpa perlu suhu yang sangat rendah.
Tim percaya bahwa kemampuan untuk mengoperasikan sistem pada suhu ruangan akan memperluas akses ke sistem optomekanik kuantum, yang merupakan tempat uji yang telah mapan untuk pengukuran kuantum dan mekanika kuantum pada skala makroskopis.
Sistem yang tim kembangkan mungkin memfasilitasi sistem kuantum hibrida baru di mana drum mekanik berinteraksi secara kuat dengan objek yang berbeda, seperti awan atom terperangkap. Sistem-sistem ini berguna untuk informasi kuantum, dan membantu tim dalam memahami bagaimana menciptakan keadaan kuantum besar dan kompleks.
Referensi :
[1] https://actu.epfl.ch/news/a-quantum-leap-at-room-temperature/ diakses pada 26 Februari 2024
[2] Guanhao Huang, Alberto Beccari, Nils J. Engelsen, Tobias J. Kippenberg. Room-temperature quantum optomechanics using an ultralow noise cavity. Nature, 2024; 626 (7999): 512 DOI: 10.1038/s41586-023-06997-3
