Fisikawan Universitas Oxford Menggunakan Komputer Kuantum Hibrida untuk Mereproduksi Efek Aharonov-Bohm, Membuktikan Partikel Berhenti Bergerak Tanpa Menyentuh Medan Magnet

Partikel kuantum dapat berpindah antara dua posisi melalui proses yang disebut tunneling. Namun, apa yang terjadi jika partikel tiba-tiba berhenti bergerak karena medan magnet yang tidak pernah ia interaksikan secara langsung? Fisikawan Universitas Oxford mereproduksi perilaku konterintuitif ini menggunakan komputer kuantum hibrida, mendemonstrasikan munculnya Efek Aharonov–Bohm dalam simulasi sistem kuantum. Efek Aharonov–Bohm terjadi ketika partikel mengelilingi area yang mengandung fluks magnet, mengalami perubahan fase kuantum yang terukur meskipun tidak pernah memasuki area tempat medan magnet berada.

Dalam eksperimen Universitas Oxford, efek ini membuat jalur kemungkinan partikel saling membatalkan, sepenuhnya menekan tunneling-nya antara dua posisi. Temuan ini dapat membantu ilmuwan mensimulasikan interaksi fundamental yang semakin sulit dimodelkan dengan komputer konvensional.

Metode Eksperimen Universitas Oxford

Membangun loop kuantum dari ion terperangkap. Dalam fisika sehari-hari, partikel bermuatan bereaksi terhadap medan listrik dan magnet yang ditemuinya. Namun, mekanika kuantum mengizinkan fenomena yang lebih halus. Partikel dapat memperoleh perubahan fase yang terukur saat mengelilingi area yang mengandung fluks magnet, bahkan jika tidak pernah memasuki wilayah tempat medan magnet berada. Fisikawan Yakir Aharonov dan David Bohm memprediksi efek ini pada 1959, yang kemudian dibuktikan dengan eksperimen menggunakan elektron nyata. Peneliti Oxford saat ini mempelajari perilaku fenomena yang sama dalam teori gauge kisi, kerangka matematika untuk menggambarkan interaksi materi dan medan dalam fisika partikel.

Dalam teori-teori ini, materi menempati titik-titik pada kisi, sedangkan medan gauge menghubungkan titik-titik tersebut. Seiring pertumbuhan sistem, menghitung perilakunya dengan komputer konvensional menjadi semakin sulit. Simulasi kuantum menawarkan alternatif: peneliti membangun sistem fisik yang mengikuti aturan dasar model yang ingin mereka pelajari, lalu mengamati perilakunya.

Mulai 2022, penulis penelitian memulai eksperimen untuk mensimulasikan teori gauge kisi, kerangka untuk mempelajari bagaimana materi berinteraksi dengan medan gauge. Sistem hibrida mereka menggabungkan komponen dengan dua peran berbeda. Qubit yang dienkodekan dalam keadaan elektron internal ion terperangkap mewakili medan gauge. Osilator kuantum yang sesuai dengan getaran ion mewakili materi. Peneliti menghubungkan dua osilator menggunakan dua qubit yang mewakili medan di antara keduanya, yang merepresentasikan materi di dua posisi. Komponen-komponen ini bersama-sama membentuk sebuah loop, blok bangunan fundamental dari teori tersebut.

Tim menggunakan operasi digital untuk menyiapkan dan mengukur sistem, sedangkan evolusi kuantum analog memungkinkan simulasi interaksi.

Pengodean Dinamis Fluks Magnet

Fluks magnet yang membatalkan gerakan partikel. Peneliti menyiapkan dua qubit tersebut dalam keadaan terentang, di mana sifat-sifat kuantumnya saling terhubung secara yang tidak memiliki ekuivalen klasik. Dalam simulasi, keadaan ini mewakili fluks magnet yang melewati loop. Pengodean fluks magnet dengan cara ini awalnya adalah solusi praktis. Perangkat keras tidak dapat menyediakan interaksi yang diperlukan untuk memperkenalkan fluks magnet sebagai latar belakang tetap. Namun, pendekatan ini juga memungkinkan peneliti mengeksplorasi hal yang lebih menarik: medan gauge yang dapat berevolusi bersama materi yang berinteraksi dengannya. "Langkah yang menarik bagi kami adalah mengodekan fluks magnet dalam medan gauge yang sendiri bersifat dinamis.

Materi tidak lagi berevolusi di latar belakang tetap, melainkan materi dan medan gauge menjadi bagian dari dinamika kuantum yang sama." ujar Sebastian Saner, peneliti utama dan pasca sarjana di Universitas Oxford.

Kemudian, peneliti mengamati partikel materi melakukan tunneling antara dua posisi loop. Tanpa fluks magnet, partikel dapat melakukan tunneling bebas. Saat peneliti memperkenalkan fluks magnet, dua jalur kemungkinan mengalami interferensi destruktif, membatalkan proses tunneling dan mengembalikan sistem ke keadaan awal. "Inilah saat kita mengamati interferensi Aharonov–Bohm, dan memanfaatkan medan gauge dinamis yang mengodekan fluks magnet, sehingga mendemonstrasikan interaksi antara muatan dan fluks."

Aplikasi Simulasi Kuantum di Masa Depan

Memperluas simulasi kuantum ke interaksi fundamental. Eksperimen ini menyediakan cara untuk mempelajari bagaimana materi dan medan magnet berinteraksi dalam sistem kuantum. Dengan pengembangan lebih lanjut, simulasi serupa dapat membantu peneliti menyelidiki interaksi lebih kompleks yang sulit dimodelkan komputer konvensional. Dalam penelitian terkait, tim yang dipimpin profesor Norbert Linke dari Universitas Maryland menggunakan sistem kuantum hibrida untuk mensimulasikan potensial Yukawa yang relevan dengan fisika nuklir dan partikel. Keduanya bersama-sama menunjukkan bagaimana arsitektur kuantum hibrida membantu ilmuwan mengeksplorasi gaya-gaya fundamental dan interaksi yang membentuk dunia fisik.

Penelitian ini telah diterbitkan di jurnal Nature Physics.

Item	Spesifikasi
Institusi Penelitian	Universitas Oxford
Jenis Sistem Kuantum	Komputer Kuantum Hibrida
Efek yang Diprediksi	Efek Aharonov–Bohm

Potensi dan Tantangan Komputasi Kuantum Hibrida

Penelitian ini menunjukkan potensi komputer kuantum hibrida dalam mengeksplorasi interaksi fundamental fisika kuantum. Reproduksi efek Aharonov–Bohm tidak hanya memvalidasi prediksi teori kuantum, tetapi juga memberikan metode baru bagi ilmuwan untuk mensimulasikan sistem fisika yang kompleks. Seiring kemajuan teknologi komputasi kuantum, eksperimen semacam ini akan membantu memecahkan masalah yang tidak dapat ditangani secara efektif oleh komputer konvensional, mendorong perkembangan fisika dan bidang terkait. Hasil penelitian tidak hanya memiliki signifikansi penting bagi ilmu pengetahuan dasar, tetapi juga berpotensi dampak jauh bagi aplikasi teknologi di masa depan.