BUNYI TERTANGKAP MELOMPAT, SATU KUANTUM DEMI SATU

Petiklah senar gitar dan bunyinya memudar dengan mulus. Namun, mekanika kuantum meramalkan bahwa energi setiap benda yang bergetar datang dalam paket-paket diskret — fonon, kuanta bunyi. Masalahnya, fonon tidak bisa dilihat dengan mengamati gerak benda. Pengukuran posisi hanya pernah memperlihatkan peluruhan eksponensial yang mulus, persis seperti osilator klasik.

Untuk mengungkap paket-paket itu, yang harus diukur adalah energinya sendiri, dan pengukurannya tidak boleh mengganggu energi tersebut: inilah yang disebut pengukuran kuantum tanpa penghancuran (quantum non-demolition). Lompatan antartingkat energi semacam ini pertama kali terlihat pada ion tunggal yang terperangkap, kemudian pada partikel cahaya yang terperangkap dalam rongga. Sebuah tim di Universitas Stanford dan SLAC, yang dipimpin Amir Safavi-Naeini, kini berhasil melakukannya pada benda yang bergetar.

Kristal yang melayang di atas qubit

Benda yang bergetar itu adalah balok mungil dari litium niobat, kristal yang mengubah getaran menjadi tegangan listrik. Balok ini berada di tengah sebuah batang berpola yang lubang-lubang periodiknya berfungsi sebagai cermin akustik, menjebak getaran di dalamnya. Massa efektifnya sekitar 0,2 pikogram — seperlima dari sepertriliun gram.

Detektornya adalah qubit superkonduktor, jenis rangkaian yang sama dengan yang dipakai di komputer kuantum. Kedua bagian dibuat terpisah, lalu sebuah mesin perekat presisi mencapkan kristal ke atas qubit, sehingga balok itu melayang hanya 75 nanometer di atasnya.

Kopling ini bekerja sebagai berikut: setiap fonon di dalam balok menggeser frekuensi qubit sebesar 328 kilohertz. Dengan mengatur waktu sebuah rangkaian pulsa singkat, qubit berakhir di satu keadaan jika jumlah fononnya genap dan di keadaan lain jika ganjil. Karena dalam praktiknya balok menyimpan paling banyak satu fonon, semuanya bermuara pada pertanyaan sederhana: nol atau satu? Setiap pemeriksaan memakan waktu sekitar 12 mikrodetik.

Lompatan-lompatan itu

Pertama, tim belajar mengenali satu fonon. Satu pemeriksaan tunggal hanya benar sekitar 68% dari waktu, jadi mereka mengulanginya: setelah enam jawaban “satu fonon” berturut-turut, balok itu menyimpan tepat satu fonon dengan probabilitas 85%.

Lalu mereka terus bertanya — 294 kali berturut-turut. Jawaban mentahnya saja sudah terlihat dengan mata telanjang: rentang panjang yang sebagian besar “satu”, lalu peralihan tiba-tiba ke sebagian besar “nol”. Balok itu tidak membocorkan energinya sedikit demi sedikit; ia kehilangan satu-satunya fonon dalam satu lompatan, pada saat acak yang berbeda dari satu percobaan ke percobaan berikutnya. Waktu terjadinya lompatan-lompatan ini mengikuti hukum eksponensial, ciri khas proses yang spontan dan tanpa memori.

Angka-angka yang memungkinkannya

Sebuah fonon bertahan 2,1 milidetik di dalam balok ini, yang menurut para penulis luar biasa lama untuk resonator jenis ini pada frekuensi gigahertz. Mereka menyebut dua pilihan sebagai kuncinya: tidak ada logam yang menyentuh resonator, dan permukaan atasnya tidak pernah terkena berkas ion yang digunakan untuk mengetsanya.
Itu menyisakan ruang untuk sekitar 170 pemeriksaan dalam satu masa hidup fonon.
Setiap pemeriksaan membiarkan fonon tetap utuh sekitar 99% dari waktu. Gangguan kecil ini memperpendek umur fonon menjadi sekitar 0,65 milidetik selama ia diamati.
Angka kinerja gabungan, yang disebut kooperativitas, melampaui 3 juta, yang menurut para penulis sepuluh kali lebih baik daripada platform akustik kuantum lainnya.

Menuju bit kuantum dari bunyi

Langkah para penulis berikutnya adalah bit kuantum “rel ganda” (dual-rail) yang terdiri atas dua resonator mekanis yang berbagi satu qubit, di mana hilangnya sebuah fonon menjadi galat yang dapat dideteksi. Teknik pencapan mereka memungkinkan beberapa resonator dalam satu cip. Mereka juga menyinggung sensor: benda seringan ini, yang bergetar selama ini, adalah yang dibutuhkan untuk menimbang satu molekul.

Untuk saat ini, pengukurannya masih memiliki keterbatasan: satu pemeriksaan tunggal masih jauh dari sempurna, dan ia tidak dapat membedakan nol fonon dari dua. Dua penulisnya adalah Amazon Scholars, dan Amazon Web Services turut mendanai penelitian ini.

Lompatan kuantum kini telah terlihat pada atom, pada cahaya, dan, dengan eksperimen ini, pada bunyi.