PENUMBUK PARTIKEL DI DALAM KOMPUTER KUANTUM

Tumbukan sejak lama menjadi salah satu alat utama fisika untuk menyelidiki struktur dalam materi. Simulator kuantum kini memungkinkan tumbukan dijalankan pada perangkat keras kuantum, tempat kekuatan interaksi bisa diatur sesuka hati, dari lemah hingga sangat kuat.

Dalam material nyata yang elektronnya berinteraksi kuat, tumbukan antar-kuasipartikel — eksitasi kolektif yang berperilaku seperti partikel — mengatur bagaimana muatan dan energi bergerak. Namun tumbukan itu biasanya hanya dipelajari secara tidak langsung, melalui spektroskopi. Simulator kuantum dapat menciptakan kuasipartikel satu per satu, meluncurkannya, dan mengamati tumbukannya dalam ruang dan waktu.

Dua proyektil yang berlawanan

Chan Bin Bark, Moon Jip Park, dan rekan-rekan di Universitas Hanyang di Seoul, Universitas Ajou di Korea, dan Ohio State University di Amerika Serikat memilih model buku teks untuk elektron yang berinteraksi, yaitu model Fermi-Hubbard. Elektron melompat dari situs ke situs di sepanjang rantai, dan dua elektron di situs yang sama saling tolak dengan energi U. Dengan tepat satu elektron per situs, rantai itu menjadi apa yang disebut isolator Mott.

Di atas latar itu, dua jenis eksitasi dapat membawa muatan:

doublon, situs dengan dua elektron;
holon, situs yang kosong.

Keduanya berperilaku seperti partikel dan antipartikelnya. Tumbukan antara kuasipartikel identik sudah pernah dipelajari; tumbukan antara dua kuasipartikel yang berbeda, masing-masing disiapkan satu per satu, belum.

Membangun penumbuk

Tim ini mengodekan rantai 21 situs pada 42 qubit prosesor kuantum superkonduktor IBM ibm_boston, dua qubit per situs. Mereka menempatkan doublon di satu sisi dan holon di sisi lain.

Untuk meluncurkannya, mereka mula-mula mematikan lompatan ke arah tepi luar untuk sesaat, sehingga setiap eksitasi hanya bisa bergerak ke tengah — seperti gerbang start. Lalu mereka memulihkan semua lompatan dan membiarkan kedua paket bertemu di dekat tengah.

Menjalankan sirkuit semacam itu pada perangkat keras yang masih berderau saat ini membutuhkan kehati-hatian: mereka memilih qubit terbaik melalui uji pendahuluan, menjalankan 70.000 pengukuran per titik data, dan memanfaatkan fakta bahwa jumlah total partikel harus tetap konstan untuk mengoreksi galat. Mereka membandingkan semuanya dengan solusi teoretis eksak dari model itu, yang dikenal sebagai ansatz Bethe, dan dengan simulasi komputer klasik.

Menembus, terpental, atau keduanya

Dengan tolakan lemah (U = 1), doublon dan holon saling menembus dan terus melaju.
Dengan tolakan kuat (U = 7), keduanya terpental kembali. Untuk bertukar tempat, keduanya harus melewati susunan perantara yang membutuhkan energi U, sehingga keduanya berperilaku seperti bola keras.
Dalam kedua kasus, keduanya pergi secepat saat datang: tumbukannya elastis.

Mereka mengukur peluang menembus untuk tolakan dari 1 hingga 8. Peluang itu mengikuti teori eksak tanpa satu pun parameter yang disesuaikan — yang pertama untuk kuasipartikel model ini pada perangkat keras kuantum, menurut para penulis.

Separuh menembus, separuh kembali

Pada tolakan menengah (U = 3,5), terjadi sesuatu yang tak biasa: muatan nyaris lenyap setelah tumbukan. Mengukur doublon dan holon secara terpisah menunjukkan alasannya. Tidak satu pun yang hilang — jumlah doublon tidak turun — tetapi masing-masing menyebar ke kedua sisi rantai. Keadaan keluarannya tampak seperti campuran “menembus” dan “terpental kembali” dalam proporsi yang sebanding.

Superposisi semacam itu membelitkan (entangle) belahan kiri dan kanan rantai. Tim mendeteksinya tanpa merekonstruksi keadaan kuantum secara lengkap, dengan mengukur seberapa besar jumlah partikel di belahan kiri berfluktuasi dari satu percobaan ke percobaan berikutnya. Fluktuasinya paling besar pada rezim menengah.

Sebagai kontrol, mereka mengganti holon dengan doublon kedua. Dua doublon identik tidak bisa bertukar tempat, dan memang tumbukan keduanya tampak hampir sama pada setiap tolakan, dengan fluktuasi yang nyaris tidak ada.

Yang masih harus ditunjukkan

Para penulis berhati-hati: pengukuran mereka menunjukkan bahwa kedua hasil itu ada, dan dalam proporsi berapa, tetapi tidak secara langsung membuktikan bahwa keduanya bersuperposisi secara koheren. Tafsiran itu bertumpu pada hukum evolusi kuantum dan pada kecocokan dengan teori. Eksperimen interferensi bisa mengonfirmasinya begitu simulasi yang lebih panjang memungkinkan — di luar jendela waktu yang dikaji di sini, bahkan simulasi klasik pun kesulitan mengimbanginya.