Fisikawan dari University of Basel telah mengamati paradoks kuantum mekanik Einstein-Podolsky-Rosen dalam suatu sistem di mana beberapa ratus atom saling berinteraksi untuk pertama kalinya. Fenomena ini berawal dari eksperimen pikiran yang terkenal dari tahun 1935. Ini memungkinkan hasil pengukuran diprediksi secara tepat dan dapat digunakan dalam jenis sensor baru dan metode pencitraan untuk medan elektromagnetik. Temuan tersebut baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Science
Seberapa tepatkah kita dapat memprediksi hasil pengukuran pada suatu sistem fisika? Di dalam dunia partikel-partikel kecil, yang diatur oleh hukum-hukum fisika kuantum, ada batasan mendasar untuk ketepatan prediksi tersebut. Batasan ini dinyatakan oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg, yang menyatakan bahwa tidak mungkin untuk secara bersamaan memprediksi pengukuran posisi dan momentum partikel, atau dua komponen spin, dengan presisi yang sembarang.
Penurunan paradoks dalam ketidakpastian
Pada tahun 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky, dan Nathan Rosen telah menerbitkan sebuah makalah terkenal di mana mereka menunjukkan bahwa prediksi yang tepat secara teoritis dimungkinkan dalam suatu keadaan tertentu. Untuk melakukannya, mereka membandingkan dua sistem A dan B, dalam apa yang dikenal sebagai “entangled state”, di mana sifat-sifat antar mereka saling berkaitan dengan erat.
Dalam hal ini, hasil pengukuran pada sistem A dapat digunakan untuk memprediksi hasil dari pengukuran yang sesuai pada sistem B dengan presisi yang sembarang. Hal ini dimungkinkan bahkan jika sistem A dan B terpisah secara spasial. Paradoksnya adalah bahwa pengamat dapat menggunakan pengukuran pada sistem A untuk membuat pernyataan yang lebih tepat tentang sistem B daripada pengamat yang memiliki akses langsung ke sistem B (tetapi tidak ke A).
Pengamatan pertama dalam sistem banyak-partikel
Di masa lalu, eksperimen telah menggunakan cahaya atau atom tunggal untuk mempelajari paradoks EPR (yang namanya diambil dari inisial dari para ilmuwan yang menemukannya). Sekarang, tim fisikawan yang dipimpin oleh Profesor Philipp Treutlein dari Departemen Fisika di Universitas Basel dan Swiss Nanoscience Institute (SNI) telah berhasil mengamati paradoks EPR menggunakan sistem banyak-partikel dari beberapa ratus atom yang berinteraksi untuk pertama kalinya.
Percobaan tersebut menggunakan laser untuk mendinginkan atom hingga hanya seperberapa miliar derajat di atas titik nol absolut. Pada suhu ini, atom berperilaku sepenuhnya sesuai dengan hukum mekanika kuantum dan membentuk apa yang dikenal sebagai “kondensat Bose-Einstein “— keadaan materi yang diprediksi Einstein dalam makalah perintis lainnya pada tahun 1925. Dalam awan ultra dingin ini, atom-atom terus menerus saling bertabrakan satu sama lain yang menyebabkan putaran (spin) mereka menjadi saling terpaut.
Para peneliti kemudian mengambil pengukuran putaran di daerah yang terpisah secara spasial dari kondensat. Berkat pencitraan resolusi tinggi, mereka mampu mengukur korelasi spin antara daerah yang terpisah secara langsung dan pada saat yang sama, dapat melokalisir atom pada posisi yang telah ditentukan secara tepat. Dengan eksperimen tersebut, para peneliti telah berhasil menggunakan pengukuran di wilayah tertentu untuk memprediksi hasil pada wilayah lain.
“Hasil pengukuran di dua wilayah sangat berkorelasi sehingga memungkinkan kami untuk mendemonstrasikan paradoks EPR,” kata Matteo Fadel, seorang mahasiswa pascasarjana S3, penulis utama studi ini. “Sangat menarik untuk mengamati fenomena fundamental seperti fisika kuantum dalam sistem yang lebih besar. Pada saat yang sama, eksperimen kami membangun hubungan antara dua karya Einstein yang paling penting.”
Di atas jalan menuju teknologi kuantum
Sebagai tambahan dari penelitian dasar mereka, para ilmuwan sudah berspekulasi tentang kemungkinan penerapan-penerapan dari penemuan mereka. Sebagai contoh, korelasi yang merupakan inti dari paradoks EPR dapat digunakan untuk meningkatkan sensor atom dan metode pencitraan untuk medan elektromagnetik . Pengembangan sensor kuantum semacam ini adalah salah satu tujuan dari Pusat Kompetensi Nasional dalam Penelitian Ilmu dan Teknologi Quantum (NCCR QSIT), di mana tim peneliti terlibat secara aktif.
