Aliran panas yang “anomali”, yang pada awalnya tampak melanggar hukum kedua termodinamika, memberi fisikawan cara untuk mendeteksi keterikatan kuantum tanpa merusaknya.
Ilustrasi: Daniel Garcia untuk Majalah Kuanta
Semua produk yang ditampilkan di WIRED dipilih secara independen oleh editor kami. Namun, kami mungkin menerima kompensasi dari pengecer dan/atau dari pembelian produk melalui tautan ini. Pelajari lebih lanjut.
Versi aslinya dari cerita ini muncul di Majalah Kuanta.
Jika ada satu hukum fisika yang tampaknya mudah dipahami, itu adalah hukum kedua termodinamika: Panas mengalir secara spontan dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Tapi sekarang, dengan lembut dan santai, Alexssandre de Oliveira Jr. baru saja menunjukkan kepadaku bahwa aku tidak benar-benar memahaminya sama sekali.
Ambillah secangkir kopi panas dan sebotol susu dingin ini, kata fisikawan Brasil itu ketika kami duduk di sebuah kafe di Kopenhagen. Jika kedua benda tersebut bersentuhan maka panas akan mengalir dari benda panas ke benda dingin, seperti yang pertama kali dinyatakan secara resmi oleh ilmuwan Jerman Rudolf Clausius pada tahun 1850. Namun, dalam beberapa kasus, de Oliveira menjelaskan, fisikawan telah mempelajari bahwa hukum mekanika kuantum dapat menggerakkan aliran panas dengan cara sebaliknya: dari dingin ke panas.
Ini tidak berarti bahwa undang-undang kedua gagal, tambahnya ketika kopinya sudah dingin. Hanya saja ungkapan Clausius merupakan “batas klasik” dari formulasi lebih lengkap yang dituntut oleh fisika kuantum.
Fisikawan mulai memahami seluk-beluk situasi ini lebih dari dua dekade yang lalu dan sejak itu terus mengeksplorasi versi mekanika kuantum dari hukum kedua. Kini, de Oliveira, peneliti postdoctoral di Technical University of Denmark, dan rekannya telah menunjukkan bahwa jenis “aliran panas anomali” yang diaktifkan pada skala kuantum dapat digunakan dengan mudah dan cerdik.
Mereka mengatakan bahwa hal ini dapat berfungsi sebagai metode yang mudah untuk mendeteksi “kuantum”—dengan merasakan, misalnya, bahwa sebuah objek berada dalam “superposisi” kuantum dari beberapa keadaan yang mungkin dapat diamati, atau bahwa dua objek tersebut terjerat, dengan keadaan yang saling bergantung—tanpa menghancurkan fenomena kuantum yang rumit tersebut. Alat diagnostik semacam itu dapat digunakan untuk memastikan bahwa komputer kuantum benar-benar menggunakan sumber daya kuantum untuk melakukan penghitungan. Bahkan mungkin membantu untuk merasakan aspek kuantum dari gaya gravitasi, salah satu tujuan utama fisika modern. Yang diperlukan, kata para peneliti, hanyalah menghubungkan sistem kuantum ke sistem kedua yang dapat menyimpan informasi tentangnya, dan ke heat sink: sebuah benda yang mampu menyerap banyak energi. Dengan pengaturan ini, Anda dapat meningkatkan perpindahan panas ke unit pendingin, melebihi apa yang diizinkan secara klasik. Cukup dengan mengukur seberapa panas wastafel tersebut, Anda kemudian dapat mendeteksi keberadaan superposisi atau keterjeratan dalam sistem kuantum.
Selain manfaat praktisnya, penelitian ini menunjukkan aspek baru dari kebenaran mendalam tentang termodinamika: Bagaimana panas dan energi dapat diubah dan dipindahkan dalam sistem fisik sangat terkait dengan informasi—apa yang diketahui atau diketahui tentang sistem tersebut. Dalam hal ini, kita “membayar” aliran panas yang tidak wajar dengan mengorbankan informasi yang tersimpan tentang sistem kuantum.
“Saya menyukai gagasan bahwa besaran termodinamika dapat menandakan fenomena kuantum,” kata fisikawan tersebut Nicole Yunger Halpern dari Universitas Maryland. “Topiknya mendasar dan mendalam.”
Pengetahuan Adalah Kekuatan
Hubungan antara hukum kedua termodinamika dan informasi pertama kali dieksplorasi pada abad ke-19 oleh fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell. Yang membuat Maxwell kesusahan, hukum kedua Clausius tampaknya menyiratkan bahwa kantong-kantong panas akan menghilang ke seluruh alam semesta sampai semua perbedaan suhu hilang. Dalam prosesnya, total entropi alam semesta—yang secara kasar merupakan ukuran betapa tidak teratur dan tidak bercirinya alam semesta—akan terus meningkat. Maxwell menyadari bahwa tren ini pada akhirnya akan menghilangkan semua kemungkinan pemanfaatan aliran panas untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat, dan alam semesta akan berada dalam keseimbangan steril yang diliputi oleh dengungan gerakan termal yang seragam: “kematian panas”. Ramalan cuaca tersebut akan cukup meresahkan bagi siapa pun. Itu merupakan kutukan bagi Christian Maxwell yang taat. Tapi di sebuah surat kepada temannya Peter Guthrie Tait pada tahun 1867, Maxwell mengaku telah menemukan cara untuk “melubangi” hukum kedua.
“Mustahil bagi sebuah mesin yang bekerja sendiri, tanpa bantuan dari luar, untuk menyalurkan panas dari satu benda ke benda lain pada suhu yang lebih tinggi,” tulis Rudolf Clausius (dalam bahasa Jerman) pada tahun 1850. Itu adalah ekspresi pertama dari hukum kedua termodinamika.
Dia membayangkan makhluk kecil (yang kemudian dijuluki setan) yang bisa melihat pergerakan molekul individu dalam gas. Gas tersebut akan mengisi kotak yang terbelah dua oleh dinding dengan pintu jebakan. Dengan membuka dan menutup pintu jebakan secara selektif, iblis dapat menyita molekul yang bergerak lebih cepat di satu kompartemen dan molekul yang bergerak lebih lambat di kompartemen lainnya, sehingga masing-masing menghasilkan gas panas dan dingin. Dengan bertindak berdasarkan informasi yang dikumpulkannya tentang pergerakan molekul, iblis tersebut mengurangi entropi gas, menciptakan gradien suhu yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan mekanis, seperti mendorong piston.
Para ilmuwan merasa yakin bahwa setan Maxwell tidak benar-benar melanggar hukum kedua, namun butuh waktu hampir 100 tahun untuk mengetahui alasannya. Jawabannya adalah informasi yang dikumpulkan dan disimpan setan tentang gerakan molekul pada akhirnya akan memenuhi ingatannya yang terbatas. Memorinya kemudian harus dihapus dan diatur ulang agar tetap berfungsi. Fisikawan Rolf Landauer menunjukkan pada tahun 1961 bahwa penghapusan ini membakar energi dan menghasilkan entropi—lebih banyak entropi daripada yang dikurangi oleh tindakan penyortiran iblis. Analisis Landauer menetapkan kesetaraan antara informasi dan entropi, yang menyiratkan bahwa informasi itu sendiri dapat bertindak sebagai sumber daya termodinamika: Informasi dapat diubah menjadi kerja. Fisikawan ditunjukkan secara eksperimental konversi informasi menjadi energi pada tahun 2010.
Karena gelisah dengan hukum kedua termodinamika, fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell menemukan eksperimen pemikiran tentang setan yang maha tahu yang masih memberikan wawasan hingga saat ini.
Namun fenomena kuantum memungkinkan informasi diproses dengan cara yang tidak diizinkan oleh fisika klasik—itulah dasar keseluruhan teknologi seperti komputasi kuantum dan kriptografi kuantum. Dan itulah mengapa teori kuantum mengacaukan hukum kedua yang konvensional.
Memanfaatkan Korelasi
Objek-objek kuantum yang terjerat memiliki informasi timbal balik: Mereka berkorelasi, sehingga kita dapat menemukan sifat-sifatnya dengan melihat sifat-sifat lainnya. Hal itu sendiri tidak terlalu aneh; jika Anda melihat salah satu dari sepasang sarung tangan dan ternyata sarung tangan tersebut adalah tangan kiri, Anda tahu bahwa sarung tangan lainnya adalah tangan kanan. Namun sepasang partikel kuantum yang terjerat berbeda dari sarung tangan dalam hal tertentu: Meskipun penggunaan sarung tangan sudah ditetapkan sebelum Anda melihatnya, hal ini tidak berlaku untuk partikel tersebut, menurut mekanika kuantum. Sebelum kita mengukurnya, belum diketahui nilai properti teramati yang mana yang dimiliki setiap partikel dalam pasangan terjerat. Pada tahap tersebut, yang dapat kita ketahui hanyalah probabilitas dari kemungkinan kombinasi nilai, misalnya 50 persen kiri-kanan dan 50 persen kanan-kiri. Hanya ketika kita mengukur keadaan salah satu partikel, kemungkinan-kemungkinan ini akan menghasilkan hasil yang pasti. Dalam proses pengukuran tersebut, keterikatan dihilangkan.
Jika molekul gas terjerat dengan cara ini, setan Maxwell dapat memanipulasinya dengan lebih efisien dibandingkan jika semua molekul bergerak secara independen. Jika, katakanlah, iblis mengetahui bahwa molekul bergerak cepat apa pun yang dilihatnya datang berkorelasi sedemikian rupa sehingga ia akan diikuti oleh molekul cepat lainnya beberapa saat kemudian, iblis tidak perlu bersusah payah mengamati partikel kedua sebelum membuka pintu jebakan untuk mengakuinya. Biaya termodinamika (sementara) menggagalkan hukum kedua diturunkan.
Pada tahun 2004, para ahli teori kuantum Chaslav Bruckner dari Universitas Wina dan Vlatko Vedrallalu di Imperial College London, ditunjukkan bahwa ini berarti pengukuran termodinamika makroskopis dapat digunakan sebagai “saksi” untuk mengungkap adanya belitan kuantum antar partikel. Dalam kondisi tertentu, mereka menunjukkan, kapasitas panas suatu sistem atau responsnya terhadap medan magnet yang diterapkan harus membawa jejak keterjeratan, jika memang ada.
Fisikawan lain juga melakukan hal yang sama dihitung bahwa Anda dapat mengekstraksi lebih banyak usaha dari benda hangat ketika terdapat keterikatan kuantum dalam sistem dibandingkan ketika sistemnya murni klasik.
Dan pada tahun 2008, fisikawan Hossein Partovi dari Universitas Negeri California diidentifikasi sebuah implikasi yang sangat dramatis tentang bagaimana keterikatan kuantum dapat melemahkan prasangka yang berasal dari termodinamika klasik. Ia menyadari bahwa adanya keterjeratan sebenarnya dapat membalikkan aliran panas secara spontan dari benda panas ke benda dingin, yang tampaknya melanggar hukum kedua itu sendiri.
Pembalikan itu adalah jenis pendinginan khusus, kata Yunger Halpern. Dan seperti biasa dengan pendinginan, hal ini tidak gratis (sehingga tidak benar-benar melanggar hukum kedua). Secara klasik, mendinginkan suatu benda membutuhkan kerja keras: Kita harus memompa panas dengan cara yang “salah” dengan mengonsumsi bahan bakar, sehingga mengembalikan entropi yang hilang dengan membuat benda dingin menjadi lebih dingin dan benda panas menjadi lebih panas. Namun dalam kasus kuantum, kata Yunger Halpern, alih-alih membakar bahan bakar untuk mencapai pendinginan, “Anda malah membakar korelasinya.” Dengan kata lain, ketika aliran panas yang tidak wajar berlangsung, belitan tersebut akan hancur: Partikel-partikel yang awalnya memiliki sifat berkorelasi menjadi independen. “Kita dapat menggunakan korelasi tersebut sebagai sumber untuk mendorong panas ke arah yang berlawanan,” kata Yunger Halpern.
Vlatko Vedral adalah salah satu pencetus ide penggunaan pengukuran termodinamika sebagai “saksi” untuk mengungkap adanya belitan kuantum antar partikel.
Sebenarnya, bahan bakar di sini adalah informasi itu sendiri: khususnya informasi timbal balik dari benda panas dan dingin yang saling terkait.
Dua tahun kemudian, David Jennings Dan Terry Rudolph dari Imperial College London diklarifikasi apa yang sedang terjadi. Mereka menunjukkan bagaimana hukum kedua termodinamika dapat dirumuskan ulang untuk memasukkan kasus di mana terdapat informasi timbal balik, dan mereka menghitung batasan seberapa banyak aliran panas klasik dapat diubah dan bahkan dibalik dengan konsumsi korelasi kuantum.
Setan Tahu
Ketika efek kuantum berlaku, hukum kedua tidak sesederhana itu. Tapi bisakah kita melakukan sesuatu yang berguna dengan cara fisika kuantum melonggarkan batasan hukum termodinamika? Itulah salah satu tujuan dari disiplin ilmu yang disebut termodinamika kuantum, di mana beberapa peneliti berupaya membuat mesin kuantum yang bekerja lebih efisien daripada mesin klasik, atau baterai kuantum yang mengisi daya lebih cepat.
Patryk Lipka-Bartosik dari Pusat Fisika Teoritis di Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia telah mencari penerapan praktis dalam arah lain: menggunakan termodinamika sebagai alat untuk menyelidiki fisika kuantum. Tahun lalu, dia dan rekan kerjanya melihat bagaimana mewujudkannya Ide Brukner dan Vedral tahun 2004 untuk menggunakan sifat termodinamika sebagai saksi keterikatan kuantum. Skema mereka melibatkan sistem kuantum panas dan dingin yang berkorelasi satu sama lain, dan sistem ketiga yang memediasi aliran panas di antara keduanya. Kita bisa memikirkan hal ini sistem ketiga sebagai iblis Maxwell, kecuali sekarang ia memiliki “memori kuantum” yang dapat terjerat dengan sistem yang dimanipulasinya. Terlibat dengan ingatan iblis secara efektif menghubungkan sistem panas dan dingin sehingga iblis dapat menyimpulkan sesuatu tentang salah satu sifat yang lain.
Patryk Lipka-Bartosik telah mengeksplorasi cara menggunakan pengukuran termodinamika untuk mendeteksi efek kuantum.
Setan kuantum semacam itu dapat bertindak sebagai semacam katalis, membantu terjadinya perpindahan panas dengan mengakses korelasi yang tidak dapat diakses jika tidak demikian. Artinya, karena terjerat dengan benda panas dan dingin, iblis dapat mengetahui dan memanfaatkan semua korelasinya secara sistematis. Dan, sekali lagi seperti katalis, sistem ketiga ini kembali ke keadaan semula setelah pertukaran panas antar benda selesai. Dengan cara ini, proses tersebut dapat meningkatkan aliran panas yang tidak wajar melebihi apa yang dapat dicapai tanpa katalis tersebut.
Makalah tahun ini oleh de Oliveira, ditulis bersama oleh Lipka-Bartosik dan Jonathan Bohr Brask dari Technical University of Denmark, menggunakan beberapa ide yang sama tetapi dengan perbedaan penting yang mengubah pengaturannya menjadi semacam termometer untuk mengukur kuantum. Dalam karya sebelumnya, memori kuantum yang mirip setan berinteraksi dengan sepasang sistem kuantum yang berkorelasi, satu panas dan satu dingin. Namun dalam karya terbaru, ia berada di antara sistem kuantum (katakanlah, serangkaian bit kuantum, atau qubit, yang terjerat dalam komputer kuantum) dan heat sink sederhana yang dengannya sistem kuantum tidak terjerat secara langsung.
Karena memori terikat dengan sistem kuantum dan sink, memori dapat kembali mengkatalisasi aliran panas di antara keduanya melampaui apa yang mungkin dilakukan secara klasik. Dalam proses itu, keterjeratan dalam sistem kuantum diubah menjadi panas ekstra yang masuk ke dalam pembuangan. Jadi mengukur energi yang tersimpan di heat sink (mirip dengan membaca “suhu” nya) mengungkapkan adanya keterjeratan dalam sistem kuantum. Namun karena sistem dan sink tidak saling terikat, pengukuran tidak mempengaruhi keadaan sistem kuantum. Langkah ini menghindari cara pengukuran yang menghancurkan kuantum. “Jika Anda sekadar mencoba melakukan pengukuran pada [quantum] sistem secara langsung, Anda akan menghancurkan keterikatannya bahkan sebelum proses tersebut dapat terjadi,” kata de Oliveira.
Fisikawan Alexssandre de Oliveira Jr. (kiri) dan Jonatan Bohr Brask (kanan) berkolaborasi dengan Patryk Lipka-Bartosik dalam skema baru untuk mendeteksi kuantum tanpa merusaknya.
Keuntungan skema baru ini adalah sederhana dan umum, kata Vedral, yang kini kuliah di Universitas Oxford. “Protokol verifikasi ini sangat penting,” katanya: Setiap kali perusahaan komputer kuantum membuat pengumuman baru tentang kinerja perangkat terbarunya, dia mengatakan selalu muncul pertanyaan tentang bagaimana (atau apakah) mereka benar-benar mengetahui bahwa keterikatan di antara qubit membantu komputasi. Unit pendingin dapat berfungsi sebagai pendeteksi fenomena kuantum murni melalui perubahan energinya. Untuk menerapkan gagasan ini, Anda dapat menetapkan satu bit kuantum sebagai memori yang statusnya menunjukkan qubit lain, lalu memasangkan qubit memori ini ke sekumpulan partikel yang akan berfungsi sebagai penyerap, yang energinya dapat Anda ukur. (Salah satu syaratnya, tambah Vedral, adalah Anda harus memiliki kontrol yang sangat baik terhadap sistem Anda untuk memastikan tidak ada sumber aliran panas lain yang mengkontaminasi pengukuran. Syarat lainnya adalah bahwa metode ini tidak akan mendeteksi semua keadaan yang terjerat.)
De Oliveira berpendapat bahwa sudah ada sistem untuk menguji ide mereka secara eksperimental. Dia dan rekan-rekannya sedang mendiskusikan tujuan tersebut dengan kelompok penelitian Roberto Serra di Universitas Federal ABC di São Paulo, Brasil. Pada tahun 2016, Serra dan rekannya digunakan orientasi magnetik, atau putaran, atom karbon dan hidrogen dalam molekul kloroform sebagai bit kuantum di mana mereka dapat mentransfer panas.
Dengan menggunakan pengaturan ini, de Oliveira mengatakan bahwa perilaku kuantum dapat dieksploitasi—dalam hal ini koherensi, yang berarti bahwa sifat-sifat dua spin atau lebih berevolusi dalam fase satu sama lain—untuk mengubah aliran panas antar atom. Koherensi qubit sangat penting untuk komputasi kuantum, sehingga kemampuan memverifikasinya dengan mendeteksi pertukaran panas yang tidak wajar dapat membantu.
Taruhannya bisa lebih tinggi lagi. Beberapa kelompok penelitian mencoba merancang eksperimen untuk menentukan apakah gravitasi merupakan gaya kuantum seperti tiga gaya fundamental lainnya. Beberapa dari upaya ini melibatkan pencarian keterjeratan kuantum antara dua objek yang dihasilkan murni oleh tarik-menarik gravitasi timbal balik. Mungkin para peneliti dapat menyelidiki keterjeratan yang disebabkan oleh gravitasi dengan melakukan pengukuran termodinamika sederhana—dengan demikian memverifikasi (atau tidak) bahwa gravitasi benar-benar terkuantisasi.
Untuk mempelajari salah satu pertanyaan terdalam dalam fisika, Vedral berkata, “Bukankah menyenangkan jika Anda bisa melakukan sesuatu yang semudah dan makroskopis seperti ini?”
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Kuantasebuah publikasi independen secara editorial dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman masyarakat terhadap sains dengan meliput perkembangan dan tren penelitian di bidang matematika serta ilmu fisika dan kehidupan.
