Mencoba memahami bagaimana membuat sistem kuantum berguna untuk penginderaan dapat membantu mengungkap rahasia kuantum itu sendiri.
“Karier akademis saya masih relatif muda,” kata Dr George Mihailescu, peneliti pascadoktoral University College Dublin (UCD) yang mengembangkan teknik penginderaan kuantum tingkat lanjut.
Mihailescu lulus dengan gelar di bidang fisika dari Dublin City University pada tahun 2019. Kemudian, ia menyelesaikan gelar master di bidang matematika terapan dan fisika teoretis dari UCD. “Pada masa inilah minat saya mulai terfokus secara lebih spesifik pada fisika kuantum,” katanya.
“Tesis master saya membahas bagaimana merancang protokol yang efisien untuk mengisi daya baterai kuantum, yang memberi saya kesempatan pertama untuk bekerja secara mendalam pada masalah informasi kuantum dan teknologi kuantum.”
Pada tahun 2021, Mihailescu memulai program PhD empat tahun yang berfokus secara luas pada pemahaman sistem banyak benda kuantum yang kompleks menggunakan alat teori informasi kuantum modern.
“Selama masa PhD, minat saya semakin beralih ke penginderaan kuantum: khususnya, apakah efek kolektif kompleks yang muncul dalam sistem banyak benda dapat dimanfaatkan sebagai sumber daya untuk merancang sensor kuantum yang lebih sensitif,” katanya.
“Selain itu, saya menjadi tertarik pada pertanyaan-pertanyaan yang lebih praktis, seperti bagaimana protokol penginderaan ini dapat dibuat kuat terhadap kebisingan, ketidaksempurnaan, dan dampak merugikan lainnya yang pasti muncul dalam lingkungan yang realistis.”
Pekerjaan Mihailescu di UCD sebagai peneliti pascadoktoral berfokus pada pendinginan atom hingga suhu yang sangat rendah untuk mengendalikan perilaku kuantumnya.
“Tujuan kami adalah untuk mengembangkan dan menerapkan teknik penginderaan kuantum tingkat lanjut dalam sistem ini, menyatukan ide-ide teoretis yang saya kerjakan selama PhD dengan eksperimen di mana ide-ide tersebut dapat diuji dan diterapkan.”
Apa yang menginspirasi Anda untuk menjadi peneliti?
Saya selalu menjadi anak yang terlalu banyak bertanya kepada orang tua dan guru saya, dan saya sangat ingin tahu tentang alam.
Salah satu kenangan yang selalu saya ingat adalah membaca buku anak-anak tentang Einstein. Ini menggambarkan perdebatan terkenal antara Einstein dan Bohr tentang mekanika kuantum, termasuk eksperimen pemikiran yang mereka gunakan untuk menantang gagasan satu sama lain. Melihat ke belakang, saya pikir itu mungkin minat pertama saya terhadap fisika kuantum.
Selama kuliah, saya beruntung mendapat kesempatan menyelesaikan sejumlah magang di laboratorium penelitian. Saat itulah sains menjadi lebih nyata bagi saya; daripada sekedar mempelajari ide-ide yang sudah ada dari buku teks, saya bisa melihat apa artinya mengerjakan pertanyaan-pertanyaan yang jawabannya belum diketahui.
Apa kesalahan yang paling banyak disalahpahami orang tentang fisika kuantum?
Saya pikir salah satu kesalahpahaman umum adalah bahwa mekanika kuantum hanya penting untuk partikel yang sangat kecil, seperti atom atau elektron. Di sinilah efek kuantum seringkali paling mudah untuk diamati, namun teori itu sendiri tidak tiba-tiba berhenti diterapkan ketika sistem menjadi lebih besar.
Faktanya, ada banyak minat untuk mendorong batas antara dunia kuantum dan dunia klasik dengan menunjukkan perilaku kuantum yang sebenarnya dalam sistem yang semakin besar.
Ini adalah sesuatu yang menurut saya sangat menarik, karena mengingatkan kita bahwa mekanika kuantum bukan sekadar teori untuk partikel kecil. Ini adalah kerangka kerja yang kami yakini menggambarkan alam secara lebih umum. Pertanyaan sebenarnya adalah mengapa perilaku kuantum menjadi sangat sulit untuk diamati ketika sistem menjadi lebih besar, lebih rumit, dan semakin kuat hubungannya dengan lingkungannya.
Menurut Anda, mengapa penelitian Anda penting?
Saya pikir ada dua sisi mengapa penelitian ini penting. Yang lebih jelas adalah dampak potensial dari penginderaan kuantum itu sendiri.
Jika kita dapat mempelajari cara mengontrol dan menggunakan sistem kuantum dengan cara yang benar, sistem tersebut memungkinkan kita mengukur besaran fisika dengan presisi yang sangat tinggi. Hal ini pada akhirnya dapat berguna dalam berbagai bidang seperti navigasi, memetakan struktur bawah tanah melalui variasi kecil dalam medan gravitasi, atau mendeteksi sinyal yang sangat lemah yang sulit untuk diamati.
Sensitivitas tidak hanya berguna untuk membangun sensor yang lebih baik; itu juga dapat bertindak sebagai penyelidikan fisika yang mendasarinya.
Untuk sistem banyak benda yang rumit, hal ini dapat membantu kita mengidentifikasi struktur tersembunyi, perubahan korelasi, perilaku transportasi, atau efek fisik lainnya yang tidak selalu terlihat jelas dari pengukuran konvensional.
Jadi terdapat semacam umpan balik antara kedua tujuan tersebut – dengan mencoba memahami bagaimana membuat sistem kuantum berguna untuk penginderaan, kita juga dapat mengungkap informasi baru tentang sistem kuantum itu sendiri.
Quantum diperkirakan memiliki dampak komersial yang besar. Menurut Anda, di manakah karya Anda akan terlihat secara komersial?
Penginderaan kuantum merupakan bidang yang menarik secara komersial karena sensor sudah ada dimana-mana. Kami menggunakannya dalam lingkungan yang sangat familiar, mulai dari termometer dan mobil hingga telepon, laptop, dan sistem industri.
Apakah sensor kuantum pada akhirnya akan mampu menembus semua aplikasi tersebut masih menjadi pertanyaan terbuka, namun menurut saya sensor kuantum memiliki peran yang jelas di bidang-bidang yang membutuhkan tingkat presisi atau sensitivitas baru.
Hal ini dapat mencakup hal-hal seperti navigasi tanpa bergantung pada sinyal satelit. Hal ini sangat menarik terutama di lingkungan seperti laut dalam, di mana GPS tidak berfungsi, dan baik radio maupun cahaya sangat dilemahkan oleh air laut.
Sensor kuantum yang sangat sensitif berpotensi membantu kendaraan bernavigasi dengan mendeteksi perubahan kecil dalam jumlah seperti percepatan, rotasi, gravitasi, atau medan magnet. Pengukuran serupa juga dapat membantu kita memetakan dasar laut atau menyelidiki struktur bawah air dengan cara yang saat ini sangat sulit.
Komputer kuantum dan perangkat kuantum lainnya bergantung pada efek fisik yang sangat sensitif terhadap lingkungannya. Fluktuasi kecil pada suhu, medan magnet, getaran, atau sumber kebisingan lainnya dapat menurunkan atau menghancurkan perilaku kuantum yang coba kita eksploitasi.
Oleh karena itu, sensor kuantum dapat memainkan peran ganda: sebagai teknologi yang memiliki aplikasi penting, tetapi juga sebagai bagian dari infrastruktur yang diperlukan untuk menjadikan teknologi kuantum lainnya praktis dan andal.
Apakah ada kesalahpahaman umum mengenai bidang penelitian ini?
Salah satu kesalahpahaman adalah bahwa membuat sensor kuantum secara otomatis akan membuatnya lebih baik. Mekanika kuantum, pada prinsipnya, memungkinkan kita mencapai tingkat sensitivitas yang tidak mungkin dicapai, namun sebenarnya menyadari keunggulan tersebut jauh lebih rumit.
Keadaan kuantum yang memberi kita peningkatan kepekaan juga bisa sangat rapuh, sehingga kebisingan, kontrol yang tidak sempurna, dan interaksi dengan lingkungan sekitar dapat dengan cepat menghilangkan keuntungan yang kita harapkan dapat diperoleh.
Oleh karena itu, sebagian besar penelitian tidak hanya menanyakan, ‘Dapatkah mekanika kuantum membuat pengukuran ini lebih presisi?’ namun bertanya dalam kondisi realistis apa keunggulan tersebut dapat bertahan dan apakah kita dapat merancang protokol yang sangat sensitif dan kuat.
Saya pikir perbedaan antara apa yang pada prinsipnya mungkin dan apa yang sebenarnya bisa diterapkan terkadang hilang ketika teknologi kuantum dibahas secara lebih luas.
Ada juga kecenderungan untuk menganggap penginderaan murni sebagai penerapan fisika kuantum, padahal penginderaan juga dapat bekerja dalam arah lain. Mempelajari seberapa sensitif sistem kuantum merespons perubahan kecil dapat memberikan cara untuk mempelajari fisika yang mendasarinya, khususnya dalam sistem banyak benda yang rumit.
Jadi penginderaan kuantum bukan hanya tentang membangun perangkat pengukuran yang lebih baik; hal ini juga dapat memberi kita cara baru untuk memahami sistem kuantum itu sendiri.
Bidang penelitian apa saja yang ingin Anda tangani di tahun-tahun mendatang?
Salah satu bidang yang saya ingin lihat dikembangkan lebih lanjut adalah pemahaman kita tentang kekacauan kuantum dan, lebih luas lagi, bagaimana informasi menyebar melalui sistem kuantum yang kompleks.
Dalam fisika klasik, chaos diasosiasikan dengan kepekaan ekstrem terhadap kondisi awal: gagasan bahwa perbedaan yang sangat kecil di awal pada akhirnya dapat menghasilkan hasil yang sangat berbeda.
Sistem kuantum tidak berperilaku persis sama, namun terdapat pertanyaan terkait erat tentang bagaimana informasi didistribusikan melalui sistem banyak benda dan bagaimana keadaan yang awalnya sederhana berkembang menjadi keadaan yang sangat rumit.
Salah satu konsep yang muncul di sini adalah pengacakan. Jika Anda mengganggu satu bagian kecil dari sistem kuantum, informasi tersebut secara bertahap dapat menyebar ke banyak bagian penyusunnya hingga informasi tersebut tersembunyi secara efektif dalam korelasi yang rumit di seluruh sistem.
Terkait erat dengan hal ini adalah termalisasi: bagaimana sistem kuantum terisolasi, yang berevolusi berdasarkan mekanika kuantum yang dapat dibalik sempurna, tetap terlihat termal dan tampaknya kehilangan ingatan tentang awal mulanya.