Penelitian dasar membuka jalan bagi sensor kuantum generasi berikutnya.
Fisikawan di Australia dan Inggris telah menemukan cara untuk membentuk kembali ketidakpastian kuantum, menawarkan metode baru yang melewati batas-batas yang ditetapkan oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg yang terkenal. Penemuan mereka dapat meletakkan dasar untuk sensor generasi berikutnya dengan presisi yang luar biasa, dengan potensi penggunaan dalam navigasi, pencitraan medis, dan astronomi.
Prinsip Ketidakpastian Heisenberg, pertama kali diperkenalkan pada tahun 1927, menyatakan bahwa tidak mungkin untuk mengetahui pasangan sifat tertentu, seperti posisi dan momentum partikel, dengan tidak terbatas ketepatan pada saat yang sama. Dalam praktiknya, ini berarti bahwa meningkatkan ketepatan dalam satu properti pasti mengurangi kepastian di yang lain.
Dalam sebuah studi yang diterbitkan di Kemajuan Sainspara peneliti yang dipimpin oleh Dr. Tingrei Tan dari Universitas Sydney Nano Institute dan School of Physics menunjukkan cara merancang trade-off alternatif, yang memungkinkan posisi dan momentum diukur secara bersamaan dengan akurasi yang luar biasa.
“Pikirkan ketidakpastian seperti udara dalam balon,” kata Dr. Tan, seorang rekan Sydney Horizon di Fakultas Sains. “Anda tidak dapat menghapusnya tanpa memunculkan balon, tetapi Anda dapat memerasnya untuk menggesernya. Itulah yang secara efektif telah kami lakukan. Kami mendorong ketidakpastian kuantum yang tidak dapat dihindari ke tempat -tempat yang tidak kami pedulikan (lompatan besar, kasar dalam posisi dan momentum) sehingga detail halus yang kami pedulikan dapat diukur lebih tepat.”
Para peneliti juga menggunakan analogi jam untuk menjelaskan temuan mereka (lihat gambar). Pikirkan jam normal dengan dua tangan: tangan jam dan tangan menit. Sekarang bayangkan jam hanya memiliki satu tangan. Jika itu adalah jam, Anda dapat mengetahui jam berapa itu dan kira -kira menit apa, tetapi pembacaan menit akan sangat tidak tepat. Jika jam hanya memiliki tangan kecil, Anda dapat membaca menit dengan sangat tepat, tetapi Anda kehilangan jejak konteks yang lebih besar – khususnya, jam mana Anda berada. Pengukuran ‘modular’ ini mengorbankan beberapa informasi global dengan imbalan detail yang jauh lebih baik.
“Dengan menerapkan strategi ini dalam sistem kuantum, kami dapat mengukur perubahan dalam posisi dan momentum suatu partikel yang jauh lebih tepat,” kata penulis pertama Dr. Christophe Valanhu dari tim Laboratorium Kontrol Kuantum di Universitas Sydney. “Kami menyerahkan informasi global tetapi mendapatkan kemampuan untuk mendeteksi perubahan kecil dengan sensitivitas yang belum pernah terjadi sebelumnya.”
Alat komputasi kuantum untuk protokol penginderaan baru
Strategi ini diuraikan secara teoritis pada tahun 2017. Di sini, tim Dr. Tan melakukan demonstrasi eksperimental pertama dengan menggunakan pendekatan teknologi yang sebelumnya mereka kembangkan untuk komputer kuantum yang dikoreksi kesalahan, hasil yang baru-baru ini diterbitkan di Fisika Alam.
“Ini adalah crossover yang rapi Komputasi kuantum Untuk merasakan, “kata rekan penulis Profesor Nicolas Menicucci, seorang ahli teori dari Universitas RMIT.” Gagasan pertama yang dirancang untuk komputer kuantum yang kuat dapat diulang sehingga sensor mengambil sinyal yang lebih lemah tanpa tenggelam oleh noise kuantum.
Tim Sydney menerapkan protokol penginderaan menggunakan gerakan getaran kecil dari ion yang terperangkap – setara kuantum dari pendulum. Mereka menyiapkan ion dalam “status grid”, semacam keadaan kuantum yang awalnya dikembangkan untuk komputasi kuantum yang dikoreksi kesalahan. Dengan ini, mereka menunjukkan bahwa kedua posisi dan momentum dapat diukur bersama dengan presisi di luar ‘batas kuantum standar’ – yang terbaik yang dapat dicapai hanya menggunakan sensor klasik.
“Kami belum melanggar prinsip Heisenberg. Protokol kami bekerja sepenuhnya dalam mekanika kuantum,” kata Dr. Ben Baragiola, rekan penulis dari RMIT. “Skema ini dioptimalkan untuk sinyal kecil, di mana detail halus lebih penting daripada yang kasar.
Mengapa itu penting
Kemampuan untuk mendeteksi perubahan yang sangat kecil adalah penting di seluruh sains dan teknologi. Sensor kuantum yang sangat tepat dapat mempertajam navigasi di lingkungan tempat GPS tidak berfungsi (seperti kapal selam, bawah tanah, atau spaceflight); meningkatkan pencitraan biologis dan medis; memantau bahan dan sistem gravitasi; atau menyelidiki fisika fundamental.
Saat masih pada tahap laboratorium, percobaan menunjukkan kerangka kerja baru untuk teknologi penginderaan di masa depan yang ditargetkan untuk mengukur sinyal kecil. Daripada mengganti pendekatan yang ada, ia menambahkan alat pelengkap ke kotak alat penginderaan kuantum.
“Sama seperti jam atom mengubah navigasi dan telekomunikasi, sensor yang ditingkatkan kuantum dengan sensitivitas ekstrem dapat memungkinkan industri baru,” kata Dr. Valahu.
Upaya kolaboratif
Proyek ini menyatukan para eksperimentalis di University of Sydney dengan para ahli teori di RMIT, University of Melbourne, Macquarie University, dan The Universitas Bristol di Inggris. Ini menunjukkan bagaimana kolaborasi lintas institusi dan perbatasan dapat mempercepat kemajuan dan memperkuat komunitas riset kuantum Australia.
“Karya ini menyoroti kekuatan kolaborasi dan koneksi internasional yang mendorong penemuan,” kata Dr. Tan.
Referensi: “Penginderaan multi-parameter yang ditingkatkan kuantum dalam mode tunggal” 24 September 2025, Kemajuan Sains.
Dua: 10.1126/sciadv.adw9757
Pendanaan: Dewan Penelitian Australia, Kantor Penelitian Angkatan Laut Global, Kantor Penelitian Angkatan Darat AS untuk Ilmu Fisik, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, Lockheed Martin, Komisi Eropa, Akademi Kuantum Sydney, H. dan A. Harley
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
BN Babel
