Quantum Flip-Floppers: Temuan Foton Tambahkan ke Misteri Gelombang-Partikel Dualitas


Objek kuantum terkenal licik. Ambil foton, misalnya. Kuantum cahaya dapat bertindak sebagai partikel satu saat, mengikuti jalur yang didefinisikan dengan baik seperti proyektil kecil, dan gelombang berikutnya, tumpang tindih dengan sejenisnya untuk menghasilkan pola interferensi, mirip seperti riak di air

Objek kuantum terkenal licik. Ambil foton, misalnya. Kuantum cahaya dapat bertindak sebagai partikel satu saat, mengikuti jalur yang didefinisikan dengan baik seperti proyektil kecil, dan gelombang berikutnya, tumpang tindih dengan sejenisnya untuk menghasilkan pola interferensi, mirip seperti riak di air.

Dualitas gelombang-partikel adalah fitur kunci dari mekanika kuantum, yang tidak mudah dipahami dalam hal intuitif pengalaman sehari-hari. Tetapi sifat ganda entitas kuantum masih menjadi asing. Eksperimen baru menunjukkan bahwa foton tidak hanya beralih dari gelombang ke partikel dan kembali lagi tetapi sebenarnya dapat menampung gelombang dan kecenderungan partikel pada saat yang bersamaan. Faktanya, sebuah foton dapat berjalan melalui peralatan optik yang kompleks dan menghilang selamanya ke detektor tanpa memutuskan identitas — dengan asumsi gelombang atau sifat partikel hanya setelah dihancurkan.

Fisikawan telah menunjukkan dalam beberapa tahun terakhir bahwa foton "memilih" apakah akan bertindak sebagai gelombang atau partikel hanya ketika dipaksakan. Jika, misalnya, foton dikemudikan oleh pembagi berkas (semacam garpu di jalan optik) ke salah satu dari dua jalur, masing-masing mengarah ke detektor foton, foton akan muncul di satu atau detektor lain dengan probabilitas yang sama. Dengan kata lain, foton hanya memilih salah satu rute dan mengikutinya sampai akhir, seperti marmer yang bergulir melalui tabung. Tetapi jika jalur perpecahan bergabung kembali sebelum detektor, memungkinkan isi dari dua saluran untuk mengganggu seperti gelombang yang mengalir di sekitar pilar untuk bertemu di sisi lain, foton menunjukkan efek interferensi seperti gelombang, yang pada dasarnya melintasi kedua jalur sekaligus. Dengan kata lain, ukur foton seperti partikel, dan itu berperilaku seperti partikel. Ukur foton seperti gelombang, dan itu bertindak seperti itu.

Orang mungkin menduga bahwa foton hanya mengasumsikan satu dari dua perilaku — gelombang atau partikel — sebelumnya, atau ketika mereka mengenai pemecah berkas. Tapi percobaan 2007 "pilihan tertunda" mengesampingkan kemungkinan itu. Fisikawan menggunakan interferometer, perangkat eksperimental yang mencakup pembagi berkas, beralih antara menggabungkan jalur dan membiarkannya terpisah. Tetapi mereka membuat pilihan hanya setelah foton melewati pemecah balok. Foton masih menunjukkan efek interferensi ketika digabungkan kembali, meskipun (di dunia yang lebih sederhana, setidaknya), partikel-partikel seharusnya sudah dipaksa untuk memutuskan jalan mana yang akan diambil.

Sekarang, dua kelompok penelitian telah mengimplementasikan versi yang lebih aneh dari percobaan pilihan yang tertunda. Dalam dua studi dalam Science edisi 2 November , sebuah tim yang berbasis di Perancis dan sebuah kelompok di Inggris masing-masing melaporkan menggunakan saklar kuantum untuk menghidupkan perangkat eksperimental. Kecuali dalam percobaan ini, saklar tidak terbalik — sehingga memaksa foton untuk bertindak seperti gelombang atau seperti partikel — sampai fisikawan mengidentifikasi foton di salah satu detektor.

Dengan mengubah pengaturan pada perangkat, kedua tim tidak hanya dapat memaksa foton eksperimental untuk berperilaku sebagai partikel atau sebagai gelombang, tetapi juga dapat menjelajahi kondisi antara. "Kami dapat terus mengubah perilaku uji foton dari perilaku seperti gelombang ke partikel, " kata Sébastien Tanzilli, rekan penulis studi dan fisikawan optik kuantum dengan Pusat Penelitian Ilmiah Nasional di Paris yang berpusat di Universitas Nice Sophia. Antipolis. "Di antara dua ekstrem, kita memiliki keadaan yang datang dengan gangguan berkurang. Jadi kita memiliki superposisi gelombang dan partikel."

Kunci dari kedua percobaan ini adalah penggunaan sakelar kuantum dalam peralatan, yang memungkinkan interferometer melayang-layang dalam superposisi pengukuran gelombang atau perilaku partikel. "Dalam eksperimen pilihan tertunda tradisional ini, di suatu tempat di aparatur Anda, Anda memiliki besar, saklar biner klasik, " kata Peter Shadbolt, rekan penulis studi lain dan mahasiswa PhD dalam fisika kuantum di University of Bristol di Inggris. "Ada 'gelombang' tertulis di satu sisi dan 'partikel' tertulis di sisi lain. Yang kami lakukan adalah mengganti sakelar klasik itu dengan qubit, bit kuantum, yang merupakan foton kedua dalam percobaan kami."

Saklar kuantum menentukan sifat peralatan — apakah dua jalur optik bergabung kembali untuk membentuk interferometer tertutup, yang mengukur sifat-sifat mirip gelombang, atau tetap terpisah untuk membentuk interferometer terbuka, yang mendeteksi partikel diskrit. Tetapi dalam kedua kasus, apakah interferometer terbuka atau tertutup - dan apakah foton melalui ritsleting melalui peralatan seperti partikel atau gelombang, masing-masing - tidak ditentukan sampai fisikawan mengukur foton kedua. Nasib foton pertama dikaitkan dengan keadaan foton kedua melalui fenomena keterikatan kuantum, di mana benda-benda kuantum berbagi sifat berkorelasi.

Dalam percobaan kelompok Bristol, keadaan foton kedua menentukan apakah interferometer terbuka, tertutup atau superposisi keduanya, yang pada gilirannya menentukan gelombang atau identitas partikel dari foton pertama. "Dalam kasus kami pilihan itu lebih merupakan pilihan kuantum, " kata Shadbolt. "Tanpa pendekatan semacam ini, kamu tidak akan bisa melihat perubahan antara gelombang dan partikel ini."

Perangkat yang dibangun oleh fungsi kelompok Tanzilli sama — interferometer ditutup untuk foton yang terpolarisasi vertikal (yang karenanya bertindak sebagai gelombang) dan terbuka untuk foton yang terpolarisasi horizontal (yang berperilaku sebagai partikel). Setelah mengirim foton uji melalui peralatan, para peneliti mengukur pasangan foton terjerat 20 nanodetik kemudian untuk menentukan polarisasi uji foton, dan karenanya pada sisi mana partikel gelombang-membagi itu jatuh.

Karena desain percobaan dan sifat keterjeratan, gelombang foton uji atau sifat partikel tidak ditentukan sampai foton kedua diukur — dengan kata lain, hingga 20 nanodetik setelah fakta. "Tes foton membuat hidupnya dalam interferometer dan terdeteksi, yang berarti dihancurkan, " kata Tanzilli. "Setelah itu kita menentukan perilakunya." Urutan operasi itu membawa konsep pilihan tertunda menjadi ekstrem. "Ini berarti bahwa ruang dan waktu tampaknya tidak memainkan peran apa pun dalam urusan ini, " tambah Tanzilli.

Peneliti informasi kuantum Seth Lloyd dari Massachusetts Institute of Technology menjuluki fenomena "prokrastinasi kuantum, " atau "proquastinasi" dalam komentar untuk Sains yang menyertai dua makalah penelitian. "Di hadapan keterikatan kuantum (di mana hasil pengukuran terikat bersama), " tulisnya, "adalah mungkin untuk menunda membuat keputusan, bahkan jika peristiwa tampaknya telah membuat satu."

Eksperimen-eksperimen baru menambah kerutan lain pada dunia mekanika kuantum yang bengkok, di mana foton bisa menjadi apa pun yang diinginkannya, kapan pun ia mau. "Feynman menyebutnya satu-satunya misteri mekanika kuantum, " kata Shadbolt tentang dualitas gelombang-partikel. "Ini sangat, sangat aneh. Mekanika kuantum sangat aneh, sepenuhnya tanpa analog klasik, dan kita harus menerimanya begitu saja."

Apakah Gunung Berapi atau Manusia Lebih Keras di Atmosfer?Kepala Greenpeace Baru Bersiap untuk Mengambil BatubaraWorld Shatters Heat Records pada 2016Membuat Sketsa Permulaan Kehidupan, Satu Sel SekaligusMenjelaskan Pengalaman Tip-of-the-LidahBagaimana Kepiting Menemukan Jalan Pulang100 Hari Pertama ObamaKecurangan Kematian DNA: Bagaimana Perbaikan Extremophile Hancur Kromosom