Ilmuwan ISTA memecahkan masalah kuantum yang kompleks dengan bantuan fisika klasik
Bekas luka kuantum pada banyak tubuh menantang pemahaman kita tentang kapan dan bagaimana sistem kuantum mencapai keseimbangan. Setelah baru-baru ini menunjukkan bahwa fenomena tersebut lebih umum daripada yang diperkirakan, para peneliti dari kelompok Serbyn di Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) telah mengembangkan algoritma untuk menemukannya menggunakan persamaan gerak klasik. Menjembatani fisika klasik dan teori kuantum, metode mereka, kini diterbitkan di Kuantum PRXjuga bisa menjelaskan fenomena kuantum tersembunyi lainnya.
Teori kuantum tetap merupakan ilmu yang kompleks, dan penelitian selama satu abad telah membawa kita lebih dekat untuk menghargai tantangan yang ditimbulkannya. Salah satu tantangannya adalah memahami nasib sistem banyak benda kuantum yang non-ekuilibrium, yaitu apa yang terjadi tidak hanya pada satu, tetapi banyak partikel kuantum yang berinteraksi yang tidak seimbang pada skala fisik yang sangat kecil. Secara naif, sistem seperti itu tampak rumit dan memiliki kompleksitas yang luar biasa; namun, jika kekacauan muncul, hal ini dapat menghapus semua kerumitan ini dan memberikan gambaran sederhana tentang sistem tersebut. Bagaimana para ilmuwan dapat membangun teori mengenai permasalahan rumit seperti itu? Bisakah mereka memahami bagaimana kekacauan muncul sejak dini, ketika perilaku sistem masih relatif sederhana?
“Masalah kuantum sulit untuk disimulasikan dan dicari solusinya. Namun kita dapat menemukan cara untuk memperoleh pemahaman dengan menggunakan mesin dari sistem klasik,” kata profesor Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA), Maksym Serbyn. Bersama dengan kandidat PhD Elena Petrova, mantan postdoc Marko Ljubotina, dan Gökhan Yalniz, lulusan PhD baru-baru ini dari kelompok Björn Hof, dia berangkat untuk mengkaji teori di balik fenomena kuantum aneh melalui lensa fisika klasik.
Bekas luka kuantum: Keteraturan yang sulit dipahami di tengah kekacauan
Salah satu fenomena yang menarik perhatian kelompok Serbia adalah bekas luka kuantum di banyak tubuh. Mereka mewujudkan konsep aneh dimana partikel-partikel yang berinteraksi mempertahankan sifat-sifatnya yang tidak 'membusuk' atau 'tersebar' seiring berjalannya waktu. Sebaliknya, partikel-partikel kuantum ini tampak 'tergores' dari masa lalunya dan secara berkala kembali ke keadaan semula. Hal ini sangat bertolak belakang dengan dunia nyata kita, di mana kekacauan adalah kecenderungan alaminya—kita semua tahu betul betapa mudahnya membuang sampah pada tempat yang rapi dan tidak akan tertata dengan sendirinya tanpa ada upaya yang dilakukan secara besar-besaran.
Sebuah publikasi baru-baru ini dari kelompok Serbyn menunjukkan bahwa bekas luka kuantum pada banyak tubuh lebih umum terjadi daripada yang diperkirakan. Para peneliti berpendapat bahwa banyaknya bekas luka kuantum ini kemungkinan besar telah diabaikan karena kompleksitasnya yang semakin meningkat. Oleh karena itu, Petrova dan tim menerima tantangan untuk mengembangkan algoritma untuk menemukan bekas luka yang sulit dipahami. Untuk mencapai hal ini, mereka menggunakan “prinsip variasional”, sebuah prinsip fisika klasik yang pertama kali dijelaskan oleh Paul Dirac pada tahun 1930-an. Singkatnya, mereka memproyeksikan masalah kuantum ke dalam sistem dinamik klasik dan memanfaatkan persamaan klasik untuk mendapatkan wawasan tentang masalah kuantum.
Secara khusus, gagasan “orbit periodik klasik” memungkinkan tim untuk menciptakan ‘jembatan’ antara dunia klasik dan kuantum. “Orbit periodik adalah konsep yang dijelaskan dengan baik dalam fisika klasik, dan para ilmuwan mengkarakterisasi sistem chaos dan non-chaotic melalui kumpulan orbit periodiknya. Namun, dalam ilmu kuantum, gagasan lintasan periodik masih asing,” kata Serbyn. “Teori kuantum dan fisika klasik sangat berbeda. Namun kita dapat menghubungkan kedua bidang tersebut dengan menggunakan lintasan periodik klasik yang diperoleh dari proyeksi sistem kuantum.”
“Seperti rangkaian gambar dengan resolusi yang semakin baik”
Serbyn membandingkan pendekatan mengamati objek 3D kompleks di bawah mikroskop melalui banyak lensa dengan perbesaran yang semakin meningkat. Di bawah 'lensa' pertama, mereka melihat sistem klasik yang relatif sederhana akibat penyederhanaan berlebihan dan distorsi proyeksi masalah kuantum. Mereka meningkatkan kualitas gambar dengan mengubah ke proyeksi yang lebih kompleks, seperti memeriksa objek dengan lensa yang tidak terlalu terdistorsi. Namun, hal ini menghasilkan gambar yang semakin kompleks. “Ini seperti menghasilkan rangkaian gambar dengan resolusi yang semakin baik, yang memungkinkan kita memulihkan lebih banyak informasi dari sistem kuantum,” kata Serbyn. “Pada akhirnya, tantangan utamanya adalah mengetahui kapan kita dapat berhenti meningkatkan kekuatan lensa sehingga kompleksitasnya tetap terbatas, sambil tetap memperoleh informasi tentang sistem kuantum.”
Dari menemukan bekas luka hingga menemukan keadaan kuantum khusus lainnya
Pada awalnya, Serbyn tidak yakin bahwa pendekatan tersebut akan berhasil. Namun, ketika Petrova bergabung dengan kelompoknya untuk menjawab pertanyaan ini dalam tesis PhD-nya, dia segera berpendapat bahwa mengembangkan alat umum patut untuk dicoba. Alat ini akan menjadi “mikroskop dengan banyak lensa” untuk mencari orbit klasik. Dengan bantuan Ljubotina dan Yalniz, dia mulai mengembangkan algoritma umum yang memungkinkan mereka mempelajari secara sistematis proyeksi berbeda dari sistem kuantum yang sama. “Saat mempertimbangkan masalah banyak benda kuantum yang kompleks, ruang tempat terjadinya dinamika sangatlah besar, sehingga orang mungkin tidak tahu harus mencari ke mana terlebih dahulu,” kata Petrova. “Tetapi dengan metode kami, kami dapat mulai 'memperbesar' dan menemukan beberapa kesederhanaan yang pada akhirnya dapat membantu kami memahami sistem dengan lebih baik.”
Selain menemukan bekas luka kuantum yang tersembunyi di banyak tubuh, alat Petrova juga dapat menemukan keadaan kuantum menarik lainnya yang bahkan kurang intuitif. Ini mungkin termasuk sistem kuantum yang digerakkan secara berkala oleh sistem Floquet, seperti pendulum atau sirkuit berosilasi. “Saat berinteraksi, sistem seperti itu diperkirakan akan memanas dari kondisi awal yang umum. Namun jika ada kondisi yang menghindari pemanasan, metode kami akan dapat menemukannya,” kata Petrova. Selain itu, algoritme ini mungkin dapat mengidentifikasi fenomena klasik kuantum baru yang diketahui.
Menjembatani disiplin ilmu
Karya ini merupakan contoh kolaborasi ilmiah yang difasilitasi oleh ekosistem penelitian multidisiplin di ISTA. “Sebagai ahli teori kuantum, kami mendapat manfaat besar dari kedekatan fisik dengan kelompok Björn Hof, kelompok fisika eksperimental yang mempelajari turbulensi dan dinamika nonlinier, dan lintasan periodik klasik adalah salah satu bidang keahlian mereka. Kami praktis bekerja di lantai yang sama, dihubungkan oleh sebuah jembatan,” kata Serbyn. Yalniz, yang baru-baru ini mempertahankan gelar PhD di ISTA, menyumbangkan sebagian besar analisis awal dari perspektif klasik selama rotasinya di kelompok Serbyn pada awal studi pascasarjananya. “Ide ini memerlukan waktu untuk terungkap, dan ketekunan Elena membantu mewujudkannya. Namun pekerjaan kami juga menggambarkan dialog dan kolaborasi yang solid antara fisikawan klasik dan ahli teori kuantum, karena wawasan dan intuisi Gökhan untuk sistem klasik sangat membantu,” Serbyn menyimpulkan.
Kelompok Serbyn dan Hof telah melintasi jembatan yang menghubungkan laboratorium mereka di ISTA, mewujudkan kolaborasi mereka di bidang fisika yang jauh dan tidak menggunakan bahasa yang sama.
Publikasi: Elena Petrova, Marko Ljubotina, Gökhan Yalniz, dan Maksym Serbyn. 2025. Menemukan orbit periodik dalam proyeksi dinamika banyak benda kuantum. Kuantum PRX. DOI: 10.1103/tldp-kvkd
