Main Menu

Melanggar Hukum, Setan Maxwell Menginspirasi Komputer Kuantum

Rohmat Haryadi
06-09-2018 18:33

Mengurangi entropi dalam kisi atom 5x5x5 yang secara acak setengahnya diisi. Setiap baris menunjukkan snapshot dari 5 pesawat di kisi. Baris atas menunjukkan distribusi acak awal atom di antara bidang 3D dari 125 kemungkinan. Baris kedua menunjukkan distribusi atom setelah sortir pertama dan baris ketiga menunjukkan distribusi setelah jenis kedua, di mana titik 5x5x2 target benar-benar diisi. Proses ini mengurangi entropi dalam sistem dengan faktor sekitar 2,4.
(Weiss Laboratory, Penn State)

Pennsylvania, Gatra.com --- Mengurangi entropi dalam kisi tiga dimensi atom super dingin, laser yang terperangkap dapat membantu mempercepat kemajuan menuju pembuatan komputer kuantum. Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Entropi juga menunjukkan bahwa energi panas selalu mengalir secara spontan dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang suhunya lebih rendah. Contohnya, kopi panas di udara terbuka, akan menransfer panas ke lingkungan yang lebih dingin, sehingga menjadi seimbang.

 

Sebuah tim peneliti di Penn State dapat mengatur ulang berbagai atom yang didistribusikan secara acak ke dalam blok-blok yang terorganisasi rapi, sehingga melakukan fungsi "setan Maxwell" - sebuah eksperimen pikiran dari tahun 1870-an yang menantang hukum kedua termodinamika. Blok atom yang terorganisir dapat membentuk dasar untuk komputer kuantum yang menggunakan atom bermuatan untuk menyandikan data dan melakukan perhitungan. Sebuah makalah yang menjelaskan penelitian ini muncul 6 September 2018 di jurnal Nature.

"Komputer tradisional menggunakan transistor untuk mengkodekan data sebagai bit yang dapat berada di salah satu dari dua state - nol atau satu," kata David Weiss, profesor fisika di Penn State dan pemimpin tim peneliti. "Kami merancang komputer kuantum yang menggunakan atom sebagai 'bit kuantum' atau 'qubit' yang dapat menyandikan data berdasarkan fenomena mekanika kuantum yang memungkinkan mereka berada di beberapa state secara bersamaan. Pengorganisasian atom ke dalam kotak 3D yang dikemas memungkinkan untuk menyesuaikan banyak atom menjadi area kecil, dan membuat perhitungan lebih mudah dan lebih efisien. "

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi - kadang dianggap sebagai gangguan - suatu sistem tidak dapat berkurang seiring waktu. Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin. Kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Sekitar tahun 1867, James Clerk Maxwell mengusulkan eksperimen pikiran di mana iblis dapat membuka dan menutup pintu antar dua kamar gas dengan cepat. Sehingga memungkinkan atom yang lebih hangat untuk melewati satu arah, dan menghalangi atom yang lebih dingin untuk lewat. Penyortiran ini, mengurangi entropi dalam sistem, yang dapat digunakan sebagai pompa panas untuk melakukan pekerjaan, sehingga melanggar hukum kedua thermodinamika.

"Pekerjaan selanjutnya menunjukkan bahwa setan tidak benar-benar melanggar hukum kedua, dan kemudian ada banyak upaya untuk merancang sistem eksperimental yang berperilaku seperti setan," kata Weiss. "Ada beberapa keberhasilan dalam skala yang sangat kecil, tetapi kami telah menciptakan sebuah sistem di mana kami dapat memanipulasi sejumlah besar atom, mengaturnya dengan cara yang mengurangi entropi sistem, sama seperti iblis (Maxwell)."

Para peneliti menggunakan laser untuk menjebak dan mendinginkan atom dalam kisi tiga dimensi dengan 125 posisi yang disusun sebagai kubus 5x5x5. Mereka kemudian secara acak mengisi sekitar setengah dari posisi dalam kisi dengan atom. Dengan menyesuaikan polarisasi perangkap laser, para peneliti dapat memindahkan atom secara individu atau dalam kelompok, mereorganisasi atom yang didistribusikan secara acak untuk mengisi penuh 5x5x2 atau 4x4x3 subset dari kisi itu.

"Karena atom didinginkan hingga serendah mungkin suhu, entropi sistem hampir seluruhnya ditentukan konfigurasi acak atom-atom dalam kisi-kisi," kata Weiss. "Dalam sistem di mana atom tidak super dingin, getaran atom membentuk mayoritas entropi sistem. Dalam sistem seperti itu, pengorganisasian atom tidak banyak mengubah entropi, tetapi dalam percobaan kami, kami menunjukkan bahwa pengorganisasian atom menurunkan entropi di dalam sistem dengan faktor sekitar 2,4. "

Selain Weiss, tim peneliti di Penn State termasuk Aishwarya Kumar, Tsung-Yao Wu, dan Felipe Giraldo Mejia terlibat penelitian ini. Penelitian ini didanai Yayasan Sains Nasional Amerika.


Editor: Rohmat Haryadi

Rohmat Haryadi
06-09-2018 18:33