Update Teknologi: Kristal Waktu Kuantum

Sebuah fase unik dari materi disebut sebuah kristal waktu, yang dalam teori bisa berbolak-balik terus menurus di antara 2 konfigurasi tanpa memerlukan masukan energi, telah dibuat di dalam komputer kuantum yang dibangun oleh Google.

Kristal waktu adalah salah satu masalah dunia nyata pertama yang diselesaikan oleh komputer kuantum, dan bisa dimanfaatkan untuk memperbaiki masalah-masalah itu. Sebuah kristal bisa terbentuk dari sebuah material ketika komponen-komponennya membentuk pola-pola yang stabil dan berulang. Pada titik ini, kristal tersebut dikatakan telah kehilangan simetri ruang (spacial symmetry) atau tidak lagi terlihat sama dari setiap sudut.

Pada 2012, Frank Wilczek di Intitut Teknologi Massachusetts (MIT) menyarankan bahwa karena relativitas umum mendefinisikan waktu sebagai dimensi ke-4, maka sebuah material malah bisa kehilangan simetri waktu (temporal symmetry).

"Kristal waktu" seperti itu akan bergerak bolak-balik terus menerus di antara 2 keadaan tanpa menggunakan energi maupun kehilangan energi. Pola-pola itu berulang dari waktu ke waktu, bukan dari ruang ke ruang.

Wilczek yang tidak terlibat dalam karya baru ini mengakui bahwa gagasan tentang gerak perpetual itu terasa seperti melanggar hukum termodinamika, tetapi Wilczek mengatakan itu hanya karena para ilmuwan yang menulis gagasan itu sejak lama "tidak menyadari semua seluk-beluk yang terbuka" di dunia mekanika kuantum.

Wilczek merasa sangat sedih pada tahun-tahun setelah dia menerbitkan hipotesisnya akibat orang-orang yang mengira dia telah jatuh ke dalam perangkap untuk menggambarkan sebuah mesin perpetual.

Tetapi konsep kristal waktu dengan cepat menjadi lebih masuk akal. Beberapa tim  mengklaim telah menciptakan kristal waktu dalam beberapa tahun terakhir dan sekarang sekelompok peneliti dari Google, Universitas Stanford, dan MIT, antara lain telah menggunakan komputer kuantum Sycamore Google untuk mencapai apa yang dikatakan Wilczek adalah sebuah kristal waktu dengan definisi ketat yang lebih tepat daripada sebelumnya.

Tim peneliti itu menggunakan serangkaian 20 kuantum bit (kubit) dalam Sycamore untuk merepresentasikan serangkaian data dengan pola-pola putaran acak.

Nilai-nilai ini kemudian diseimbangkan dengan baik dengan menggunakan teknik yang disebut lokalisasi banyak benda, di mana interferensi antar partikel-partikel membekukan kubit di tempatnya bahkan ketika kubit itu cenderung hanyut karena kesetimbangan termal. 

Tim tersebut menunjukkan bahwa kubit dalam keadaan rumit ini secara spontan membalikkan putarannya secara serempak untuk membuat pola-pola data baru, kemudian kembali ke keadaan semula, berulang-ulang, dan bagian dari prosesor kuantum telah menjadi kristal waktu.

"Ini jelas merupakan tonggak sejarah di lapangan," kata Wilczek, "dan saya pikir lebih dari itu, dalam beberapa hal, ini adalah tonggak sejarah untuk komputasi kuantum. Saya pikir ini adalah pemecahan masalah alami pertama yang benar-benar dibantu oleh komputer kuantum."

Wilczek bercanda bahwa, dalam beberapa hal, eksperimen itu seperti komputer tradisional yang jatuh ke loop tak terbatas yang tidak yang disengaja, lalu menabrak, dan kristal waktu bisa dianggap sebagai "mode kegagalan yang menarik" untuk komputer kuantum.

Wilczek percaya bahwa kristal waktu bisa diaplikasikan dalam komputer kuantum untuk meningkatkan keandalan dan akurasi, tetapi lebih mungkin untuk menemukan penggunaan sebelumnya sebagai alat pengukuran yang sangat akurat karena stabilitasnya. "Material-material seperti itu menantang konsepsi kita tentang apa itu zat padat dan apa itu zat cair yang ada di tangan kita setiap hari: sebuah kristal cair."

Zat Cair, Gas, dan di Luar Itu
Elastomer-elastomer kristal cair semakin memperkeruh air. Pertama kali dibuat pada 1975, elastomer terdiri dari molekul-molekul yang selalu sejajar satu sama lain, yang menghasilkan beberapa sifat yang aneh.

Material itu akan bertahan jika direnggangkan, sebagian besar permukaannya terasa kenyal. Tetapi jika digosokkan pada permukaan tertentu, material itu akan mulai mengalir.

Mark Warner di Universitas Cambridge menyarankan bahwa penggunaan definisi bentuk yang lebih tepat bisa membuat segalanya lebih jelas, tetapi itu tidak membuat kita maju, dan tidak akan membantu, misalnya, ketika menyangkut plasma, keadaan materi yang menyusun sebagian besar matahari.

Plasma. Sumber: New Scientist, International Edition, 14 August 2021, hlm. 44.

Plasma, gas bermuatan yang sering dikira merupakan keadaan materi ke-4. Plasma seperti gas, di mana atom-atomnya telah terbelah menjadi partikel-partikel bermuatan, sehingga bisa menghantarkan arus listrik.

Perilaku plasma tidak biasa, tetapi dari segi bentuk, plasma identik dengan gas. Bagaimana dengan berbagai bentuk magnetisme yang secara rutin dibicarakan sebagai keadaan materi?

Sifat khusus plasma berasal dari sifat kuantum yang disebut putaran atau spin, yang bisa dianggap seperti panah yang melekat pada setiap elektron sebuah material. Susunan spin ini, bukan bentuk materialnya, yang memberi magnet kualitas gaya tariknya.

Akan mudah untuk melihat ini sebagai mengkhawatirkan semantik yang tidak penting. Bukankah plasma hanya gas yang bermuatan listrik? Bukankah magnet hanyalah benda padat yang kebetulan bersifat magnetis?

Bagi seorang fisikawan, itu tidak sesederhana itu. Tidak ada cara objektif untuk menandai soliditas sebagai lebih fundamental daripada magnetisme, atau gas lebih mendasar daripada muatan listrik.
Itulah sebabnya mengapa para fisikawan beralih ke konsep berbeda yang disebut simetri untuk mengkategorikan keadaan dari materi.

Bayangkan Anda memiliki 2 lingkaran kertas, satu ditutupi dengan titik-titik dalam sebuah kisi, satu lagi dengan titik-titik acak.

Sekarang putar potongan kertas sedikit. Akan menjadi jelas bahwa pola kisi berubah, sedangkan titik-titik acak tidak berubah.

Pola titik acak memiliki simetri yang tinggi, sedangkan pola kisi tidak. Kisi dan titik-titik acak mirip dengan susunan atom dalam zat padat dan cair, sehingga simetri bisa digunakan untuk membedakan keduanya. Konsep ini juga berlaku jauh lebih luas, termasuk susunan spin dalam magnet dan muatan dalam plasma.

"Simetri adalah konsep yang kuat," kata Douglas Natelson dari Rice University di Houston, Texas.

Kepustakaan:
1. Sparkes, Matthew, A True Quantum Time Crystal, New Scientist, International Edition, 14 August 2021, hlm. 20.
2. Cartwright, Jon, Liquid, Gas... and beyond, New Scientist, International Edition, 14 August 2021, hlm. 40-45.
3. Diary Johan Japardi.
4. Berbagai sumber daring.

Jonggol, 24 Agustus 2021

Johan Japardi