‘Pembalikan Waktu Kuantum’ Membuat Cahaya Bergerak Maju dan Mundur dalam Waktu Bersamaan

Fictiondaily.org – Untuk pertama kalinya, fisikawan membuat cahaya tampak bergerak maju dan mundur secara bersamaan dalam waktu. Teknik baru ini dapat membantu para ilmuwan meningkatkan komputasi kuantum dan memahami gravitasi kuantum.

Dengan memisahkan foton, atau paket cahaya, menggunakan kristal optik khusus, dua tim fisikawan independen telah mencapai apa yang mereka gambarkan sebagai ‘pembalikan waktu kuantum’, di mana foton ada dalam keadaan waktu maju dan mundur.

Efeknya dihasilkan dari konvergensi dua prinsip aneh mekanika kuantum, aturan kontraintuitif yang mengatur perilaku makhluk sangat kecil. Prinsip pertama, superposisi kuantum, memungkinkan partikel sangat kecil ada di banyak keadaan berbeda, atau versi berbeda dari dirinya sendiri, sekaligus, sampai mereka diamati. Yang kedua — simetri muatan, paritas, dan pembalikan waktu (CPT) — menyatakan bahwa setiap sistem yang mengandung partikel akan mematuhi hukum fisika yang sama bahkan jika muatan partikel, koordinat spasial, dan pergerakan sepanjang waktu dibalik seolah-olah melalui cermin.

Dengan menggabungkan kedua prinsip ini, para fisikawan menghasilkan sebuah foton yang tampak bergerak secara bersamaan dan berlawanan arah dengan panah waktu. Mereka menerbitkan hasil eksperimen kembar mereka pada 31 Oktober dan 2 November di server pracetak arXiv, yang berarti temuan tersebut belum ditinjau oleh rekan sejawat.

“Konsep anak panah waktu menunjukkan ketidaksearahan waktu yang kita amati di dunia makroskopik yang kita tinggali,” kata Teodor Strömberg, seorang ahli fisika di Universitas Wina yang merupakan penulis pertama di salah satu makalah tersebut. Sains Langsung. “Ini sebenarnya bertentangan dengan banyak hukum dasar fisika, yang pada umumnya simetris waktu, dan karena itu tidak memiliki arah waktu yang disukai.”

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi suatu sistem, analog kasar dari ketidakteraturannya, harus meningkat. Dikenal sebagai “panah waktu”, entropi adalah salah satu dari sedikit besaran dalam fisika yang mengatur waktu untuk bergerak ke arah tertentu.

Kecenderungan tumbuhnya ketidakteraturan di alam semesta ini menjelaskan mengapa lebih mudah mencampur bahan-bahan daripada memisahkannya. Juga melalui kekacauan yang berkembang inilah entropi terikat begitu erat dengan kesadaran kita akan waktu. Adegan terkenal dalam novel Kurt Vonnegut “Slaughterhouse-Five” menunjukkan betapa berbedanya entropi membuat satu arah waktu terlihat berbeda dengan memainkan Perang Dunia II secara terbalik: Peluru dihisap dari orang yang terluka; api dikecilkan, dikumpulkan menjadi bom, ditumpuk dalam barisan yang rapi, dan dipisahkan menjadi mineral komposit; dan panah waktu yang terbalik membatalkan kekacauan dan kehancuran perang.

Namun, karena entropi pada dasarnya adalah konsep statistik, itu tidak berlaku untuk partikel subatomik tunggal. Faktanya, dalam setiap interaksi partikel yang telah diamati para ilmuwan sejauh ini — termasuk hingga 1 miliar interaksi per detik yang terjadi di dalam penghancur atom terbesar di dunia, Large Hadron Collider — simetri CPT ditegakkan. Jadi, partikel yang tampak bergerak maju dalam waktu tidak dapat dibedakan dari partikel dalam sistem cermin antipartikel yang bergerak mundur dalam waktu. (Antimateri diciptakan dengan materi selama Big Bang dan tidak benar-benar bergerak mundur dalam waktu; ia hanya berperilaku seolah mengikuti panah waktu yang berlawanan dengan materi normal.)

Faktor lain yang berperan dalam eksperimen baru ini adalah superposisi. Demonstrasi superposisi menggantikan yang paling terkenal adalah kucing Schrödinger, sebuah eksperimen pemikiran di mana kucing ditempatkan di dalam kotak tertutup dengan racun racun yang memicunya dipicu oleh peluruhan radioaktif partikel alfa. Peluruhan radioaktif adalah proses mekanis memodifikasi yang terjadi secara acak, jadi pada awalnya tidak mungkin untuk mengetahui apa yang terjadi pada kucing, yang berada dalam keadaan superposisi, mati dan hidup secara bersamaan, sampai kotak dibuka dan hasilnya terlihat.

Superposisi keadaan ini memungkinkan partikel ada dalam keadaan waktu maju dan mundur pada saat yang sama, tetapi menyaksikan prestasi ini secara eksperimental itu rumit. Untuk mencapainya, kedua tim merancang eksperimen serupa untuk membagi foton sepanjang superposisi dua jalur terpisah melalui kristal. Foton superposisi bergerak pada satu jalur melalui kristal seperti biasa, tetapi jalur lain dikonfigurasikan untuk mengubah polarisasi foton, atau di mana ia menunjuk ke ruang angkasa, untuk bergerak seolah-olah berjalan mundur dalam waktu.

Setelah menggabungkan kembali foton superposisi dengan mengirimkannya melalui kristal lain, tim mengukur polarisasi foton di sejumlah percobaan berulang. Mereka menemukan pola interferensi kuantum, pola garis-garis terang dan gelap yang hanya bisa ada jika foton terbelah dan bergerak di kedua arah waktu.

“Superposisi proses yang kami sadari lebih mirip dengan objek yang berputar searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam pada saat yang sama,” kata Strömberg. Para peneliti menciptakan foton yang membalik waktu karena keingintahuan intelektual, tetapi percobaan lanjutan menunjukkan bahwa waktu membalik dapat dipasangkan dengan gerbang logika yang dapat dibalik untuk mengaktifkan komputasi simultan di kedua arah, sehingga membuka jalan bagi prosesor kuantum dengan kekuatan pemrosesan yang sangat ditingkatkan.

Kemungkinan teoretis juga tumbuh dari pekerjaan. Sebuah teori gravitasi kuantum masa depan, yang akan menyatukan relativitas umum dan mekanika kuantum, harus memasukkan partikel-partikel dengan orientasi waktu campuran seperti yang ada dalam eksperimen ini, dan dapat memungkinkan para peneliti untuk mengintip ke dalam beberapa fenomena alam semesta yang paling misterius.

“Cara yang bagus untuk menyatakannya adalah dengan mengatakan bahwa percobaan kami adalah simulasi skenario eksotis di mana foton dapat berevolusi maju dan mundur dalam waktu,” Giulio Chiribella, fisikawan di Universitas Oxford yang merupakan penulis utama makalah lainnya. , kepada Live Science. “Apa yang kami lakukan adalah analog dengan beberapa eksperimen yang mensimulasikan fisika eksotis, seperti fisika lubang hitam atau perjalanan waktu.”