Sebuah studi baru dari Universitas Oxford mengungkap kenyataan yang berlawanan dengan intuisi dalam ketepatan waktu kuantum: energi yang dibutuhkan untuk mengukur jam kuantum jauh melebihi energi yang dibutuhkan untuk mengoperasikannya. Diterbitkan dalam Physical Review Letters, temuan ini menantang asumsi lama tentang efisiensi dalam sistem kuantum dan memiliki implikasi signifikan terhadap desain teknologi kuantum masa depan.
Paradoks Jam Kuantum
Jam tradisional, baik berbasis pendulum atau atom, mengandalkan proses yang tidak dapat diubah untuk menandai waktu. Namun, pada skala kuantum, proses-proses ini menjadi lemah atau hampir tidak ada, sehingga ketepatan waktu menjadi sebuah tantangan. Para peneliti telah lama mencari cara untuk membangun jam kuantum yang lebih efisien, dengan asumsi bahwa perbaikan pada sistem kuantum yang mendasarinya akan menghasilkan keuntungan terbesar. Penelitian baru ini menunjukkan bahwa hambatan sebenarnya bukan terletak pada jam itu sendiri, namun pada tindakan observasi.
Bagaimana Pengukuran Mendorong Disipasi Energi
Tim Oxford membuat jam mikroskopis menggunakan elektron tunggal yang berpindah di antara dua wilayah berskala nano (titik kuantum ganda). Setiap lompatan melambangkan “centang”. Untuk mendeteksi kutu ini, mereka menggunakan dua metode: mengukur arus listrik kecil dan menggunakan gelombang radio untuk merasakan perubahan dalam sistem. Kedua metode tersebut mengubah sinyal kuantum menjadi data klasik—transisi kuantum ke klasik.
Perhitungan mereka mengungkapkan bahwa energi yang dibutuhkan untuk membaca jam kuantum hingga satu miliar kali lebih besar daripada energi yang dikonsumsi oleh jam itu sendiri. Hal ini membalikkan asumsi bahwa biaya pengukuran dalam fisika kuantum dapat diabaikan. Ternyata, tindakan observasilah yang memberi arah pada waktu dan menjadikannya tidak dapat diubah.
Implikasi untuk Perangkat Quantum Masa Depan
Penemuan ini tidak berarti jam yang lebih efisien memerlukan sistem kuantum yang lebih baik. Sebaliknya, penelitian harus memprioritaskan metode pengukuran yang lebih cerdas dan hemat energi. Seperti yang dijelaskan oleh penulis utama Profesor Natalia Ares (Universitas Oxford), “Jam kuantum pada skala terkecil diharapkan dapat menurunkan biaya energi untuk ketepatan waktu, namun eksperimen baru kami mengungkapkan hal yang mengejutkan. Dalam jam kuantum, detak kuantum jauh melebihi detak jam itu sendiri.”
Namun, ketidakseimbangan ini bisa jadi merupakan sebuah fitur, bukan sebuah kelemahan. Kelebihan energi dari pengukuran dapat memberikan informasi lebih rinci tentang perilaku jam, sehingga berpotensi memungkinkan ketepatan waktu yang sangat tinggi. Rekan penulis Vivek Wadhia (Universitas Oxford) menekankan bahwa “entropi yang dihasilkan oleh amplifikasi dan pengukuran detak jam…adalah biaya termodinamika ketepatan waktu yang paling penting dan mendasar pada skala kuantum.”
Melampaui Ketepatan Waktu: Wawasan Mendasar
Penelitian ini menyentuh pertanyaan-pertanyaan yang lebih mendalam dalam fisika, termasuk panah waktu. Dengan menunjukkan bahwa pengukuran, bukan sekedar detak, mendorong arah waktu ke depan, temuan ini menghubungkan fisika energi dengan ilmu informasi. Rekan penulis Florian Meier (TU Wien) menyarankan bahwa langkah berikutnya adalah memahami prinsip-prinsip yang mengatur efisiensi perangkat berskala nano sehingga kita dapat merancang perangkat otonom yang menghitung dan menjaga waktu dengan lebih efisien, seperti yang dilakukan alam.
Studi ini menggarisbawahi realisasi penting: di dunia kuantum, tindakan mengetahui secara mendasar mengubah sistem yang diamati. Wawasan ini memiliki implikasi yang luas, tidak hanya sekedar ketepatan waktu, namun juga teknologi kuantum yang bergantung pada pengukuran presisi.
