Melalui eksperimen terobosannya, Alain Aspect, John Clauser, dan Anton Zeilinger telah membuka kemungkinan untuk meneliti dan mengontrol partikel yang berada dalam keadaan terbelit (entangled). Pada sebuah sistem terbelit, apa yang terjadi pada salah satu partikel akan menentukan apa yang akan terjadi pada partikel pasangan belitnya, meskipun jarak keduanya sangat jauh untuk dapat saling mempengaruhi satu sama lain.
Perangkat eksperimen yang dikembangkan para nobelis fisika tahun 2022 ini telah memberi fondasi era baru teknologi kuantum.
Hal yang mendasar pada mekanika kuantum bukan hanya sekadar isu teoritis atau filosofis. Penelitian dan pengembangan yang intensif dalam bidang ini sedang menuju pada arah pemanfaatan karakteristik khusus dari sistem partikel tunggal untuk dapat membangun komputer kuantum, meningkatkan pengukuran, membangun jaringan kuantum, dan membangun komunikasi terenkripsi secara kuantum.
Sejumlah aplikasi tersebut bertumpu pada bagaimana mekanika kuantum dapat menghasilkan dua atau lebih partikel untuk berada dalam keadaan berbagi (shared state), tanpa peduli sejauh apa pun jarak pisah kedua partikel tersebut. Kondisi ini disebut pembelitan (entangled), dan merupakan salah satu ide yang menjadi perdebatan dalam mekanika kuantum sejak pertama kali teori ini diformulasikan. Albert Einstein menyebutnya sebagai aksi yang menyeramkan pada sebuah jarak di sisi lain, Erwin Schrodinger mengatakannya sebagai sifat paling penting dalam mekanika kuantum.
Lompat baca ke bagian berikut :
Peristiwa di Luar Pengalaman Sehari-hari
Ketika dua buah partikel berada dalam keadaan terbelit kuantum, seseorang yang mengukur karakteristik salah satu partikel dapat dengan segera menentukan hasil pengukuran yang setara terhadap partikel satunya, tanpa perlu mengecek partikel tersebut.
Sekilas, hal ini mungkin tidak terlalu mengejutkan.
Jika kita misalkan sebuah bola, maka kita dapat menggambarkan pernyataan di atas dengan analogi berikut. Bayangkan sebuah eksperimen di mana sebuah bola hitam dilemparkan ke salah satu arah sementara sebuah bola lain dilemparkan ke arah lainnya. Seorang pengamat yang menangkap sebuah bola dan melihat bahwa bola tersebut berwarna putih, maka dengan segera pengamat tersebut dapat mengatakan bola yang bergerak ke arah yang lainnya itu berwarna hitam.
Apa yang membuat hal ini sangat spesial dalam mekanika kuantum adalah karena dalam mekanika kuantum, kedua bola ini tidak memiliki keadaan yang sudah pasti (tertentukan) sampai akhirnya bola tersebut diamati (diukur). Dalam kuantum, bola ini tidak berwarna hitam juga tidak berwarna putih. Tetapi gabungan (superposisi) dari kedua keadaan ini: berwarna hitam atau berwarna putih. Jadi, dalam kuantum, kedua bola ini seolah-olah berwarna abu-abu, sampai seseorang akhirnya mengamati salah satu dari bola ini.
Tepat pada saat bola tersebut diamati, bola secara acak dapat memperlihatkan dirinya memiliki warna hitam yang sama dengan warna bola pasangannya, atau bola itu menunjukkan dirinya berwarna putih. Pada saat itu, bola pasangannya yang lain kemudian akan segera berubah menjadi warna yang berlawanan dengan warna bola yang diamati.
Tetapi bagaimana kita dapat mengetahui bahwa bola-bola tersebut tidak memiliki warna yang berpasangan sejak awal?
Meskipun keduanya tampak abu-abu, mungkin saja keduanya memiliki sebuah sifat yang tersembunyi, yang akan menentukan warna apa yang akan tampak saat seseorang mengamatinya.
Ada pertanyaan yang menarik di sini: Apakah ada warna saat tidak ada seseorang yang mengamatinya?
Bagian penting dari penelitian yang mendapat anugerah nobel fisika pada tahun 2022 ini adalah adanya sebuah pandangan teoritis yang disebut sebagai ketidaksamaan Bell.
Ketidaksamaan Bell memungkinkan kita untuk membedakan antara sifat ketidaktentuan mekanika kuantum dengan sebuah deskripsi alternatif yang didasarkan pada sebuah perintah rahasia, atau yang diistilahkan sebagai variabel tersembunyi. Eksperimen telah menunjukkan bahwa alam berperilaku seperti yang diprediksi oleh mekanika kuantum. Bola-bola berwarna abu-abu, tanpa informasi rahasia atau variabel tersembunyi, dan ‘kesempatanlah’ yang akan  menentukan bola mana yang mana yang akan berubah menjadi hitam dan bola mana yang mana yang akan menjadi putih dalam sebuah eksperimen.
Sumber Terpenting Mekanika kuantum
Sistem kuantum yang terbelit memiliki potensi untuk memberi kita sebuah cara baru untuk menyimpan, memindahkan dan memproses informasi.
Hal yang menarik terjadi jika partikel yang berada dalam keadaan pasangan yang saling terbelit (entangled pair) bergerak dalam arah yang berlawanan kemudian salah satu dari partikel tersebut bertemu dengan sebuah partikel ketiga sedemikian sehingga keduanya juga menjadi saling terbelit. Maka kedua partikel ini pun akan memasuki sebuah keadaan berbagi (shared state) yang baru.
Partikel ketiga ini kehilangan identitasnya, tetapi karakteristik asalnya sekarang telah ditransfer ke partikel tunggal dari pasangan awalnya. Cara perpindahan keadaan kuantum yang tidak diketahui ini dari satu partikel ke partikel lainnya disebut dengan teleportasi kuantum. Jenis eksperimen teleportasi kuantum ini pertama kali dilakukan pada tahun 1997 oleh Anton Zeilinger bersama kolega-koleganya.
Mengejutkannya, teleportasi kuantum adalah satu-satunya cara untuk memindahkan informasi kuantum dari satu sistem ke sistem lainnya tanpa kehilangan bagian informasi sedikit pun. Sangat tidak mungkin mengukur semua sifat sebuah sistem kuantum kemudian mengirimkan informasi tersebut ke sebuah penerima yang ingin merekonstruksi sistem tersebut. Hal ini karena sebuah sistem kuantum dapat mengandung sejumlah versi dari setiap sifatnya secara bersamaan, di mana setiap versi akan memiliki sebuah probabilitas kemunculan tertentu selama sebuah pengukuran. Segera setelah pengukuran dilakukan, hanya ada satu versi yang tersisa, yaitu yang direkam atau yang diukur oleh alat eksperimen. Versi lainnya akan menghilang dan tidak mungkin untuk mengetahui sesuatu pun tentang versi yang telah hilang tersebut. Tetapi, seluruh sifat-sifat kuantum yang tidak diketahui dapat ditransfer dengan menggunakan teleportasi kuantum dan akan tampak utuh dalam partikel lainnya, tetapi harus dibayar dengan kehancuran sifat-sifat tersebut dalam partikel asalnya.
Sejak hal ini dapat diperlihatkan secara eksperimen, langkah selanjutnya adalah menggunakan dua pasangan partikel yang terbelit. Jika masing-masing satu dari tiap pasangan dibawa bersama dengan cara-cara tertentu, partikel-partikel yang tidak terganggu dalam tiap-tiap pasangan dapat menjadi terbelit meskipun tidak pernah saling kontak satu sama lain. Pertukaran keterbelitan ini pertama kali ditunjukkan oleh grup penelitian Anton Zeilinger pada tahun 1998.
Pasangan foton yang terbelit, dapat dikirim pada arah yang berlawanan melalui fiber optik dan berfungsi sebagai sinyal dalam sebuah jaringan kuantum. Keterbelitan antara dua pasang pasangan memungkinkan jarak jangkaunya mencapai jarak antar titik-titik simpul dalam jaringan kuantum. Terdapat batasan jarak yang dapat dijangkau oleh foton saat dikirim melalui fiber optik sebelum foton-foton tersebut terserap atau kehilangan sifat-sifatnya. Sinyal cahaya biasa dapat diperkuat sepanjang jalannya, tetapi hal ini tidak dapat dilakukan pada pasangan yang mengalami belitan. Sebuah amplifier harus menangkap dan mengukur cahaya tersebut, yang akan merusak keadaan keterbelitan. Namun demikian, pertukaran belitan memungkinkan untuk mengirim keadaan asalnya lebih jauh, sehingga dapat memindahkannya dengan jarak yang lebih jauh dibandingkan dengan cara lainnya yang mungkin.
Dari Paradoks Menuju Ketaksamaan
Kemajuan yang dicapai ini membutuhkan bertahun-tahun pengembangan. Dimulai dari pandangan yang membingungkan yang diberikan oleh mekanika kuantum yang memungkinkan sebuah sistem kuantum tunggal untuk dibagi menjadi beberapa bagian yang terpisah satu sama lain tetapi masih berinteraksi sebagai satu kesatuan.
Hal ini menentang semua ide-ide yang lazim tentang penyebab dan efeknya serta keadaan alamiah sebuah realitas. Bagaimana mungkin sesuatu dapat dipengaruhi oleh sebuah kejadian yang terjadi pada suatu tempat yang terpisah tanpa adanya bentuk sinyal apapun dari kejadian tersebut? Sebuah sinyal tidak dapat bergerak melebihi kecepatan cahaya –tetapi dalam mekanika kuantum, kelihatannya tidak dibutuhkan sebuah sinyal untuk menghubungkan bagian-bagian yang terpisah dari suatu sistem.
Albert Einstein mengatakan hal ini sebagai hal yang tidak mungkin dan mempelajari fenomena ini, bersama dengan koleganya Boris Podolsky dan Nathan Rosen. Pada tahun 1935 mereka menyampaikan penalaran mereka terhadap fenomena tersebut dengan mengatakan bahwa mekanika kuantum kelihatannya tidak memberikan sebuah deskripsi yang lengkap dari sebuah realitas. Hal ini selanjutnya disebut sebagai paradoks EPR, nama yang diambil dari inisial mereka.
Pertanyaannya adalah apakah mungkin akan ada penggambaran yang lebih lengkap dari dunia ini, di mana mekanika kuantum hanyalah bagian dari penggambaran yang lebih lengkap tersebut? Penggambaran ini, misalnya, dapat bekerja melalui partikel yang selalu membawa informasi tersembunyi tentang apa yang akan mereka munculkan sebagai hasil dari sebuah eksperimen. Akhirnya, semua eksperimen akan menunjukkan karakteristik yang akan muncul secara tepat saat pengukuran dilakukan. Jenis informasi ini sering disebut sebagai variabel tersembunyi lokal.
Seorang fisikawan Irlandia Utara John Stewart Bell (1928-1990), yang bekerja di CERN, laboratorium fisika partikel Eropa, mencoba melihat lebih dalam terhadap masalah ini. Ia menemukan bahwa terdapat sebuah eksperimen yang dapat menentukan apakah dunia ini bersifat murni mekanika kuantum, atau apakah akan ada penggambaran yang lain dengan variabel-variabel tersembunyi. Jika eksperimen Bell dilakukan berulang-ulang kali, semua teori yang menggunakan variabel tersembunyi menunjukkan sebuah korelasi antara hasil-hasil eksperimen yang harus lebih kecil daripada atau hampir sama dengan sebuah nilai tertentu. Hal ini sebut dengan ketidaksamaan Bell (Bell’s inequality).
Namun demikian, mekanika kuantum dapat melanggar ketidaksamaan ini. mekanika kuantum memprediksi nilai yang lebih tinggi terhadap korelasi antara hasil-hasil eksperimen dengan hasil yang mungkin oleh variabel tersembunyi.
John Clauser menjadi tertarik dengan dasar-dasar mekanika kuantum saat menjadi mahasiswa pada tahun 1960-an. Ia terus terbayang-bayang dengan ide John Bell saat pertama kali ia membacanya. Akhirnya, bersama tiga orang peneliti lainnya, Clauser dapat menyajikan sebuah ide sebuah eksperimen realistis yang dapat digunakan untuk menguji ketidaksamaan Bell tersebut.
Eksperimen tersebut melibatkan tentang pengiriman sebuah pasangan partikel terbelit dalam arah yang berlawanan. Dalam praktiknya, foton yang memiliki karakteristik polarisasi yang digunakan. Pada saat partikel tersebut dipancarkan arah polarisasinya tidak tertentukan, dan hal yang pasti adalah bahwa partikel-partikel tersebut memiliki polarisasi sejajar. Hal ini dapat diperiksa dengan menggunakan filter yang memungkinkan melalui polarisasi yang diatur pada arah polarisasi tertentu. Efek ini yang digunakan dalam banyak kacamata, yang memblok cahaya yang telah terpolarisasi pada sebuah bidang tertentu, misalnya akibat pemantulan oleh air.
Jika kedua partikel dalam eksperimen dipancarkan ke arah filter yang diarahkan dalam bidang yang sama, misalnya dalam arah vertikal, dan satu dari partikel tersebut berputar arah, maka satu partikel lainnya akan tetap seperti keadaan asalnya. Jika arah polarisasi keduanya membentuk sudut siku-siku satu sama lain, maka salah satu partikel akan diblok dan partikel lainnya akan diteruskan. Triknya adalah dengan mengukur dengan filter, mengatur pada arah yang berbeda dengan sudut yang diputar, sehingga akhirnya akan diperoleh hasil yang bervariasi: kadang-kadang kedua partikel membalik arah polarisasi awalnya, kadang-kadang hanya satu partikel yang membalik arah polarisasinya, dan kadang-kadang pula arah polarisasinya tidak berubah. Seberapa sering kedua partikel melewati filter bergantung pada sudut antara filter-filter tersebut.
Mekanika kuantum menghasilkan sebuah korelasi antara hasil-hasil pengukuran. Kemungkinan salah satu partikel dilewatkan melalui filter bergantung pada sudut filter yang mengetes polarisasi pasangannya pada sisi yang berlawanan dari perangkat eksperimen. Hal ini berarti bahwa hasil dari kedua eksperimen, pada suatu nilai sudut, bertentangan dengan ketidaksamaan Bell dan memiliki korelasi yang lebih kuat dibandingkan dengan yang akan terjadi jika dihasilkan oleh variabel tersembunyi dan telah ditentukan lebih awal saat partikel tersebut dipancarkan.
Ketidaksamaan yang Dilanggar
John Clauser segera mulai bekerja melakukan eksperimen yang diajukannya. Ia membuat alat yang dapat memancarkan dua foton yang terbelit dalam satu waktu, masing-masing mengarah ke sebuah filter yang mengecek polarisasinya. Pada tahun 1972, bersama dengan mahasiswa doktoral Stuart Freedman (1944-2012), ia dapat menunjukkan hasil yang jelas terhadap pelanggaran ketidaksamaan Bell dan sesuai dengan prediksi mekanika kuantum.
Pada tahun-tahun berikutnya, John Clauser dan fisikawan lainnya melanjutkan membahas eksperimen tersebut dan keterbatasannya. Salah satu keterbatasan eksperimen ini adalah bahwa eksperimen tersebut pada umumnya tidak efisien, baik pada saat menghasilkan maupun menangkap partikel. Pengukuran yang dilakukan juga tidak diuji sebelumnya, dengan menggunakan filter pada sudut yang tetap. Dengan demikian akan ada celah, dimana seorang pengamat dapat mempertanyakan hasil yang diperoleh ini: bagaimana jika perangkat eksperimen ini dengan suatu cara tertentu memilih partikel yang memiliki korelasi yang kuat, dan tidak dapat mendeteksi partikel lainnya? Jika hal ini terjadi, maka partikel-partikel tersebut masih membawa informasi yang tersembunyi.
Menghilangkan celah khusus ini sangatlah sulit, karena belitan keadaan kuantum sangat mudah rusak dan sulit untuk diatur; hal ini membutuhkan interaksi dengan foton tunggal. Mahasiswa doktoral Perancis Alain Aspect tidak terintimidasi atas kesulitan ini, dan membangun sebuah versi baru dari alat eksperimen sebelumnya melalui sejumlah perbaikan.
Dalam eksperimennya, Aspect dapat meregister foton-foton yang melalui filter dan yang tidak melaluinya. Ini berarti lebih banyak foton yang terdeteksi dan pengukuran akan lebih baik.
Pada varian akhir pengujiannya, ia juga dapat mengatur arah foton ke arah dua filter yang diatur memiliki sudut yang berbeda. Kecerdikan varian terakhir alat ini adalah adanya sebuah mekanisme yang mengubah arah foton yang terbelit setelah tercipta dan terpancar dari sumbernya. Filternya hanya berjarak 6 meter, sehingga perubahan arah ini dapat terjadi dalam sepersejuta detik. Jika informasi tentang pada filter mana foton akan tiba mempengaruhi bagaimana foton tersebut dipancarkan dari sumbernya, maka foton tersebut tidak akan sampai pada filter tersebut. Demikian pula informasi tentang filter mana pada sisi lain eksperimen mencapai sisi lainnya dan mempengaruhi hasil eksperimen tidak dapat diketahui.
Dengan cara inilah, Alain Aspect  menutup sebuah celah penting dan memberikan hasil yang lebih meyakinkan dan jelas bahwa mekanika kuantum benar dan tidak ada variabel-variabel tersembunyi.
Era Informasi Kuantum
Apa yang dihasilkan Alain Aspect dan eksperimen yang serupa ini menjadi dasar penelitian yang masif mengenai sains informasi kuantum saat ini.
Kemampuan mengatur dan memanipulasi keadaan kuantum beserta semua lapisan-lapisan karakteristiknya memberi kita akses pada alat-alat yang memiliki potensi yang tak terduga-duga. Hal ini menjadi dasar dari komputasi kuantum, transfer dan penyimpanan informasi kuantum, serta algoritma enkripsi kuantum. Sistem dengan partikel yang lebih dari dua, yang kesemuanya mengalami keterbelitan, saat ini sedang digunakan, di mana Anton Zeilinger dan kolega-koleganya merupakan orang-orang pertama yang mengeksplorasinya.
Peralatan yang terus menerus diperbaiki akan menyebabkan penerapan realistis dari konsep mekanika kuantum ini semakin dekat diwujudkan. Sistem kuantum yang terbelit sekarang telah didemonstrasikan di antara foton-foton yang dikirim melalui puluhan kilometer kabel optik, dan antara satelit dan stasiun di bumi. Dalam waktu yang singkat, peneliti di seluruh dunia telah menemukan banyak cara untuk memanfaatkan karakteristik mekanika kuantum yang paling kuat ini.
Revolusi kuantum pertama telah memberi kita transistor dan laser, tetapi sekarang kita memasuki sebuah era baru berkat alat-alat kontemporer yang dapat memanipulasi sistem partikel-partikel yang mengalami keterbelitan.
(Sumber: Press-release Nobel Fisika 2022)
