Versi asli dari cerita ini muncul di Majalah Quanta.
Hampir seabad yang lalu, fisikawan Erwin Schrödinger menarik perhatian pada keanehan dunia kuantum yang telah memukau dan membingungkan para peneliti sejak saat itu. Ketika partikel kuantum seperti atom berinteraksi, mereka melepaskan identitas individual mereka demi keadaan kolektif yang lebih besar, dan lebih aneh, daripada jumlah bagian-bagiannya. Fenomena ini disebut keterikatan.
Para peneliti memiliki pemahaman yang kuat tentang bagaimana keterikatan bekerja dalam sistem ideal yang hanya berisi beberapa partikel. Namun, dunia nyata lebih rumit. Dalam susunan atom yang besar, seperti yang membentuk benda yang kita lihat dan sentuh, hukum fisika kuantum bersaing dengan hukum termodinamika, dan segala sesuatunya menjadi kacau.
Pada suhu yang sangat rendah, keterikatan dapat menyebar hingga jarak yang jauh, menyelimuti banyak atom dan menimbulkan fenomena aneh seperti superkonduktivitasNamun, jika suhu meningkat, atom-atom akan bergetar, merusak ikatan rapuh yang mengikat partikel-partikel yang saling terikat.
Para fisikawan telah lama berjuang untuk menentukan rincian proses ini. Kini, sebuah tim yang terdiri dari empat peneliti telah terbukti Keterikatan itu tidak hanya melemah saat suhu meningkat. Sebaliknya, dalam model matematika sistem kuantum seperti susunan atom dalam material fisik, selalu ada suhu tertentu di mana keterikatan itu lenyap sepenuhnya. “Bukan hanya karena keterikatannya sangat kecil,” kata Ankur Moitra dari Massachusetts Institute of Technology, salah satu penulis hasil baru tersebut. “Nilainya nol.”
Para peneliti sebelumnya telah mengamati tanda-tanda perilaku ini dan menyebutnya sebagai “kematian mendadak” keterikatan. Namun, bukti mereka sebagian besar tidak langsung. Temuan baru ini menetapkan batasan yang jauh lebih kuat pada keterikatan dengan cara yang ketat secara matematis.
Anehnya, keempat peneliti di balik hasil baru ini bahkan bukan fisikawan, dan mereka tidak bermaksud membuktikan apa pun tentang keterikatan. Mereka adalah ilmuwan komputer yang menemukan bukti tersebut secara tidak sengaja saat mengembangkan algoritma baru.
Terlepas dari apa pun tujuannya, hasil penelitian ini telah membuat para peneliti di bidang ini bersemangat. “Ini adalah pernyataan yang sangat, sangat kuat,” kata Choi Soon-wonseorang fisikawan di MIT. “Saya sangat terkesan.”
Menemukan Keseimbangan
Tim ini membuat penemuan mereka saat mengeksplorasi kemampuan teoritis masa depan komputer kuantum—mesin yang akan memanfaatkan perilaku kuantum, termasuk keterikatan dan superposisi, untuk melakukan perhitungan tertentu jauh lebih cepat daripada komputer konvensional yang kita kenal saat ini.
Salah satu aplikasi komputasi kuantum yang paling menjanjikan adalah dalam studi fisika kuantum itu sendiri. Katakanlah Anda ingin memahami perilaku sistem kuantum. Para peneliti perlu terlebih dahulu mengembangkan prosedur atau algoritma tertentu yang dapat digunakan komputer kuantum untuk menjawab pertanyaan Anda.
Ewin Tang membantu merancang algoritma cepat baru untuk mensimulasikan bagaimana sistem kuantum tertentu berperilaku pada suhu tinggi.
Namun tidak semua pertanyaan tentang sistem kuantum mudah dijawab menggunakan algoritma kuantum. Beberapa pertanyaan sama mudahnya untuk algoritma klasik, yang berjalan pada komputer biasa, sementara yang lain sulit untuk algoritma klasik dan kuantum.
Untuk memahami di mana algoritma kuantum dan komputer yang dapat menjalankannya dapat memberikan keuntungan, para peneliti sering menganalisis model matematika yang disebut sistem spin, yang menangkap perilaku dasar dari susunan atom yang berinteraksi. Mereka kemudian mungkin bertanya: Apa yang akan dilakukan sistem spin ketika Anda membiarkannya pada suhu tertentu? Keadaan yang dicapainya, yang disebut keadaan kesetimbangan termalnya, menentukan banyak sifat lainnya, sehingga para peneliti telah lama berupaya mengembangkan algoritma untuk menemukan keadaan kesetimbangan.
Apakah algoritma tersebut benar-benar mendapat manfaat dari sifat kuantumnya bergantung pada suhu sistem spin yang dimaksud. Pada suhu yang sangat tinggi, algoritma klasik yang dikenal dapat melakukan pekerjaan tersebut dengan mudah. Masalahnya menjadi lebih sulit saat suhu menurun dan fenomena kuantum semakin kuat; dalam beberapa sistem, hal itu menjadi terlalu sulit bahkan bagi komputer kuantum untuk dipecahkan dalam jumlah waktu yang wajar. Namun, detail dari semua ini masih belum jelas.
“Kapan Anda pergi ke ruang di mana Anda membutuhkan kuantum, dan kapan Anda pergi ke ruang di mana kuantum bahkan tidak membantu Anda?” kata Ewin Tangseorang peneliti di University of California, Berkeley, dan salah satu penulis hasil penelitian baru tersebut. “Tidak banyak yang diketahui.”
Pada bulan Februari, Tang dan Moitra mulai memikirkan masalah keseimbangan termal bersama dengan dua ilmuwan komputer MIT lainnya: seorang peneliti pascadoktoral bernama Ainesh Bakshi dan mahasiswa pascasarjana Moitra Allen LiuPada tahun 2023, mereka semua berkolaborasi dalam algoritma kuantum yang inovatif untuk tugas berbeda yang melibatkan sistem putaran, dan mereka mencari tantangan baru.
“Saat kami bekerja sama, segala sesuatunya berjalan lancar,” kata Bakshi. “Ini luar biasa.”
Sebelum terobosan tahun 2023 itu, ketiga peneliti MIT itu belum pernah bekerja pada algoritme kuantum. Latar belakang mereka adalah teori pembelajaran, subbidang ilmu komputer yang berfokus pada algoritme untuk analisis statistik. Namun, seperti para pemula yang ambisius di mana pun, mereka memandang kenaifan relatif mereka sebagai suatu keuntungan, suatu cara untuk melihat masalah dengan sudut pandang baru. “Salah satu kekuatan kami adalah kami tidak tahu banyak tentang kuantum,” kata Moitra. “Satu-satunya kuantum yang kami ketahui adalah kuantum yang diajarkan Ewin kepada kami.”
Tim tersebut memutuskan untuk fokus pada suhu yang relatif tinggi, di mana para peneliti menduga bahwa algoritma kuantum yang cepat akan ada, meskipun tidak ada yang mampu membuktikannya. Tak lama kemudian, mereka menemukan cara untuk mengadaptasi teknik lama dari teori pembelajaran menjadi algoritma baru yang cepat. Namun saat mereka menulis makalah mereka, tim lain muncul dengan hasil serupa: sebuah bukti bahwa sebuah algoritma yang menjanjikan yang dikembangkan tahun lalu akan bekerja dengan baik pada suhu tinggi. Mereka telah disedot.
Kematian Mendadak Terlahir Kembali
Agak kecewa karena mereka berada di posisi kedua, Tang dan rekan-rekannya mulai berkorespondensi dengan Alvaro Alhambraseorang fisikawan di Institut Fisika Teoritis di Madrid dan salah satu penulis makalah tandingan. Mereka ingin mencari tahu perbedaan antara hasil yang mereka capai secara independen. Namun, ketika Alhambra membaca draf awal bukti keempat peneliti tersebut, ia terkejut saat mengetahui bahwa mereka telah membuktikan sesuatu yang lain dalam langkah peralihan: Dalam sistem spin apa pun dalam kesetimbangan termal, keterikatan menghilang sepenuhnya di atas suhu tertentu. “Saya memberi tahu mereka, ‘Oh, ini sangat, sangat penting,’” kata Alhambra.
Dari kiri: Allen Liu, Ainesh Bakshi, dan Ankur Moitra berkolaborasi dengan Tang, memanfaatkan latar belakang mereka di cabang ilmu komputer yang berbeda. “Salah satu kekuatan kami adalah kami tidak tahu banyak tentang kuantum,” kata Moitra.
Tim tersebut segera merevisi draf mereka untuk menyoroti hasil yang tidak disengaja tersebut. “Ternyata hal ini hanya keluar dari algoritme kami,” kata Moitra. “Kami mendapatkan lebih dari yang kami harapkan.”
Para peneliti telah mengamati kematian keterikatan yang tiba-tiba ini sejak tahun 2000-an, dalam berbagai eksperimen dan simulasi pada komputer klasik biasa. Namun, tidak satu pun dari karya-karya sebelumnya yang mampu mengukur hilangnya keterikatan secara langsung. Mereka juga telah mempelajari fenomena tersebut hanya dalam sistem-sistem kecil, yang bukan merupakan sistem yang paling menarik.
“Bisa jadi untuk sistem yang semakin besar, Anda harus mencapai suhu yang semakin tinggi untuk melihat tidak adanya keterikatan,” kata Alhambra. Dalam kasus tersebut, fenomena kematian mendadak mungkin terjadi pada suhu yang sangat tinggi sehingga tidak relevan dalam material nyata. Satu-satunya batasan teoritis sebelumnya, dari tahun 2003membiarkan kemungkinan itu terbuka. Sebaliknya, Tang dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa suhu di mana keterikatan menghilang tidak bergantung pada jumlah total atom dalam sistem. Satu-satunya hal yang penting adalah detail interaksi antara atom-atom di dekatnya.
Álvaro Alhambra, seorang fisikawan yang menangani masalah yang sama dengan Tang, Moitra, Bakshi, dan Liu, menyadari bahwa mereka secara tidak sengaja membuktikan hasil baru tentang keterikatan kuantum saat mengembangkan algoritma mereka.
Pendekatan yang mereka gunakan dalam pembuktian mereka sendiri tidak biasa. Sebagian besar algoritma untuk menemukan keadaan kesetimbangan termal terinspirasi oleh cara sistem fisik nyata mendekati kesetimbangan. Namun, Tang dan rekan-rekannya menggunakan teknik yang jauh dari teori kuantum.
“Itulah yang menakjubkan tentang makalah ini,” kata Nikhil Srivastavaseorang ilmuwan komputer di Berkeley. “Buktinya mengabaikan fisika.”
Pencarian Terus Berlanjut
Bukti yang ditunjukkan oleh keempat peneliti bahwa sistem spin suhu tinggi tidak memiliki keterikatan apa pun membantu menjelaskan fitur menarik lain dari algoritme baru mereka: Sangat sedikit yang benar-benar kuantum. Memang, keluaran algoritme—deskripsi lengkap tentang bagaimana atom dalam sistem spin berorientasi dalam kesetimbangan termal—terlalu sulit untuk disimpan pada mesin klasik. Namun, selain langkah terakhir yang menghasilkan keluaran ini, setiap bagian algoritme bersifat klasik.
“Ini pada dasarnya adalah komputasi kuantum yang paling sepele,” kata Liu.
Tang memiliki rekam jejak yang panjang menemukan hasil “dekuantisasi”—bukti bahwa algoritme kuantum sebenarnya tidak diperlukan untuk banyak masalah. Dia dan kolaboratornya tidak mencoba melakukan itu kali ini, tetapi bukti hilangnya keterikatan yang mereka temukan merupakan versi dekuantisasi yang lebih ekstrem. Bukan hanya algoritme kuantum tidak menawarkan keuntungan apa pun dalam masalah khusus yang melibatkan sistem spin suhu tinggi—tidak ada kuantum sama sekali tentang sistem tersebut.
Namun hal itu tidak berarti para peneliti komputasi kuantum harus kehilangan harapan. Dua terkini dokumen mengidentifikasi contoh-contoh sistem spin suhu rendah di mana algoritme kuantum untuk mengukur keadaan kesetimbangan mengungguli algoritme klasik, meskipun masih harus dilihat seberapa luas perilaku ini. Dan meskipun Bakshi dan rekan-rekannya membuktikan hasil negatif, metode tidak lazim yang mereka gunakan untuk mencapainya menunjukkan bahwa ide-ide baru yang bermanfaat dapat muncul dari tempat-tempat yang tak terduga.
“Kita bisa optimis bahwa akan ada algoritma baru yang luar biasa yang bisa ditemukan,” kata Moitra. “Dan dalam prosesnya, kita bisa menemukan matematika yang indah.”
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Quantasebuah publikasi independen yang diterbitkan oleh Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren dalam matematika serta ilmu fisika dan ilmu hayati.
