Oleh: Dr. Mohd Faudzi Umar
Pensyarah Fizik
Universiti Pendidikan Sultan Idris
Sepanjang bulan Oktober 2022, Akademik Sains Diraja Sweden akan mengumumkan penerima-penerima Hadiah Nobel bagi pelbagai bidang, di mana baru-baru ini (3 Oktober 2022), mereka telah mengumumkan Hadiah Nobel Fisiologi atau Perubatan [1]. Tidak ketinggalan juga bagi bidang fizik iaitu pada 4 Oktober 2022, pengumuman gah tersebut boleh ditonton melalui saluran YouTube Nobel Prize [2]. Hadiah Nobel Fizik bagi tahun 2022 dianugerahkan kepada penyelidik bidang maklumat kuantum iaitu Alain Aspect, John F. Clauser dan Anton Zeilinger, “bagi kajian berkaitan foton berkusut, membangunkan pencabulan ketaksamaan dan menerajui sains maklumat kuantum“.
Kajian ‘maklumat kuantum’ merupakan lanjutan bidang mekanik kuantum bagi memahami kelakuan zarah keunsuran dan menjurus kepada usaha-usaha berkaitan superkomputer dan komunikasi tersulit. Tambahan lagi, meskipun kajian mereka tampak begitu asas dalam fizik, tetapi jelas berupaya merealisasikan satu teknologi baharu yang lebih praktikal. Konsep ‘kekusutan kuantum’ yang diperkenalkan pula tampak seumpama mitos, iaitu dua individu (atau zarah) dapat berkomunikasi seperti biasa meskipun berada sangat berjauhan.
Penganugerahan hadiah gah ini sewajarnya berbalik kepada idea awal di mana ia bermula, iaitu Ujikaji Gedanken Einstein-Podolsky-Rosen [3]. Ujikaji ini mengandaikan dua watak iaitu ‘Alice’ dan ‘Bob’ (dua watak ini digunakan secara meluas) yang terpisah jauh. Kedua-dua mereka mengukur spin sepasang zarah berkusut (elektron). Spin yang diukur berkeadaan sama ada spin-atas atau spin-bawah. Ujikaji ini diusulkan bagi mencabar tafsiran Copenhagen ke atas konsep pengukuran dalam mekanik kuantum, iaitu segala sesuatu (kedudukan, momentum, ataupun spin) adalah tidak berketentuan sehinggalah ia diukur atau dicerap.
Ringkasnya, jika sepasang zarah berkusut itu dipisahkan jauh, apabila Alice mengukur satu daripadanya berkeadaan spin-atas, sudah tentu hasil pengukuran Bob berkeadaan spin-bawah. Nampak normal bukan! Berbalik kepada tafsiran Copenhagen tadi, kedua-dua keadaan (atas atau bawah) wujud secara serentak, sehinggalah pengukuran dilakukan. Persoalannya adalah apakah terdapatnya medium lebih laju daripada cahaya yang menyampaikan maklumat bahawa zarah Alice berkeadaan spin-atas, justeru zarah Bob itu mesti berkeadaan spin-bawah? Fenomena ini dikenali dalam mekanik kuantum sebagai, “tindakan sesaujana yang meremangkan”.
Pada tahun 1964, John Bell mengusulkan idea ujikaji [4] bagi membuktikan bahawa alam semesta adalah bersifat tidak setempat (non-local). Tidak setempat atau non-local bermaksud pengukuran boleh dilakukan secara jarak jauh. Di samping itu, terdapat sesuatu entiti hipotetikal tidak tercerap yang terlibat dalam fenomena mekanik kuantum dikenali sebagai ‘pemboleh ubah tersembunyi’. Idea ujikaji ini diusulkan beranalogikan sepasang ‘foton terkusut’ (tidak diketahuinya keadaannya) menggunakan 3 polaroid berbeza sudut. Sifat polaroid mematuhi Hukum Malus iaitu keamatan foton berkadaran dengan sudut pusingan polaroid.
Secara teknikalnya, susunan pasangan polaroid tersebut menerbitkan 3 set kemungkinan keputusan iaitu kemungkinan bagi pasangan polaroid a dan b iaitu ρ(a,b), dan seterusnya ρ(b,c) dan ρ(a,c). Seterusnya, dibentuk ketaksamaan di mana jumlah 2 kemungkinan pasangan polaroid berikut ρ(a,b) dan ρ(b,c) adalah lebih besar atau sama dengan satu kemungkinan pasangan polaroid ρ(a,c) seperti berikut;
ρ(a,b) + ρ(b,c) ≥ ρ(a,c)
ketaksamaan tersebut dikenali sebagai Ketaksamaan Bell.
Sekiranya terdapat pemboleh ubah tersembunyi, maka korelasi antara keputusan bagi pengukuran berulang-kali tidak akan melebihi satu nilai tertentu. Walau bagaimanapun, mekanik kuantum meramalkan bahawa bentuk pengujian tertentu akan mencabul ketaksamaan Bell tersebut, bahkan menghasilkan korelasi lebih tinggi berbanding keputusan lain yang mungkin.
Nah, berbalik kepada penganugerahan Hadiah Nobel; Aspect, Clauser dan Zeilinger merealisasikan idea Bell terebut melalui ujikaji sebenar. Dimulai oleh Clauser pada tahun 1969, beliau bersama-sama rakan penyelidik iaitu Horne, Shimony dan Holt [5] turut mengemukakan idea dan mengitlakkan ujikaji Bell bagi menguji pemboleh ubah tersembunyi setempat, iaitu Ketaksamaan CHSH sempena nama mereka, kemudian direalisasikan secara ujikaji sebenar bersama-sama dengan Freedman [6]. Pengukuran ujikaji sebenar mereka menyokong mekanik kuantum di mana secara jelas mencabuli ketaksamaan Bell. Ini secara tidak langsung menunjukkan bahawa mekanik kuantum tidak perlu digantikan dengan teori yang menggunakan pemboleh ubah tersembunyi.
Alain Aspect pula mendapati terdapat lopong dalam kajian Clauser, iaitu berkaitan bentuk tertutup dalam sifat setempat. Aspect mengikuti ujikaji Clauser dengan bentuk tertutup, di mana beliau memulakan pengukuran selepas pasangan zarah kusut meninggalkan sumber, dengan itu zarah yang terpancar tidak mempengaruhi keputusan. Sekali lagi, ketaksaman Bell dicabuli, bahkan mekanik kuantum tidak goyah [7].
Berbeza pula dengan Zeilinger yang juga penerima Pingat Ulung Isaac Newton 2007 (Inaugural Isaac Newton Medal). Beliaulah pemula menggunakan keadaan kusut tersebut dalam ujikaji teleportasi kuantum, tampak sains fiksyen bukan. Tahukah anda, beliau lah yang memungkinkan teknologi tersebut, di mana beliau beliau memindahkan satu keadaan kuantum zarah ke sesuatu di tempat yang sangat jauh [8]. Teleportasi tersebut dilakukan antara Pulau Canary La Palma dan Tenerife sejauh 143 km pada tahun 1997. Rentetan daripada penyelidikan itu, terdapat usaha teleportasi lebih jauh dilakukan iaitu sejauh 1400km menggunakan satelit Micius.
Aspect dalam temubual, memberitahu media bahawa, “Mekanik kuantum adalah satu bidang yang mengujakan dan akan terus-menerus menjadi agenda lebih satu abad lagi, di mana masih banyak misteri yang perlu dibongkar” [2]. Melalui temubual Zeilinger dengan sidang media, beliau tidak menyangka akan penganugerahan ini, beliau terkejut tetapi positif! Hal ini menunjukkan mereka bekerja kerana minat, di mana penganugerahan adalah bonus buat mereka. Tambahan lagi, beliau mengharapkan ‘komunikasi kuantum’ akan meliputi seluruh dunia.
Oleh itu, saranan barisan penyunting Fizikkini.com menyeru pembaca agar sentiasa tegar dengan bidang fizik (dalam tulisan ini mekanik kuantum terutamanya) dan tidak mengharapkan kemahsyhuran.
DAFTAR ISTILAH
tindakan sesaujana yang meremangkan = spooky action at a distance
maklumat kuantum = quantum information
foton terkusut = entangled photon
komunikasi tersulit = encrypted communication
kekusutan kuantum = quantum entanglement
zarah berkusut = entangled particle
pemboleh ubah tersembunyi = hidden variables
pemboleh ubah tersembunyi setempat = local hidden variables
pencabulan ketaksaman Bell = violation inequality Bell
teleportasi kuantum = quantum teleportation
RUJUKAN
[1] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2022/summary/[2] Announcement of the 2022 Nobel Prize in Physics. https://www.youtube.com/watch?v=O0sLYBeaaAM[3] Einstein, A; B Podolsky; N Rosen (1935-05-15). “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?”. Phys. Rev. 47 (10): 777–780.[4] Bell, J. S. (1964). “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox” (PDF). Physics Physique. 1 (3): 195–200.[5] J.F. Clauser; M.A. Horne; A. Shimony; R.A. Holt (1969), “Proposed experiment to test local hidden-variable theories”, Phys. Rev. Lett., 23 (15): 880–4,[6] S. J. Freedman and J. F. Clauser. (1972). “Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories”. Phys. Rev. Lett. 28, 938.[7] Aspect, A., 1976. Proposed experiment to test the nonseparability of quantum mechanics. Physical review D, 14(8), p.1944.[8] Bouwmeester, D., Pan, J.W., Mattle, K., Eibl, M., Weinfurter, H. and Zeilinger, A., 1997. Experimental quantum teleportation. Nature, 390(6660), pp.575-579.
