Ilmuwan Oxford Simulasikan Fenomena Kuantum Fundamental

Para fisikawan dari Universitas Oxford, Inggris, berhasil mendemonstrasikan efek Aharonov-Bohm menggunakan komputer kuantum hibrida yang menggabungkan qubit dan osilator kuantum. Eksperimen ini menjadi langkah penting dalam pengembangan simulasi kuantum untuk mempelajari interaksi fundamental antara materi dan medan gauge, fenomena yang semakin sulit dihitung menggunakan komputer klasik.

Penelitian tersebut menunjukkan bagaimana sistem kuantum dapat digunakan untuk mereproduksi perilaku fisika yang kompleks melalui eksperimen terkontrol. Hasilnya juga memperlihatkan potensi komputer kuantum hibrida sebagai perangkat untuk mengeksplorasi fenomena yang mendasari fisika partikel dan teori medan kuantum.

Studi berjudul Aharonov–Bohm interference in a ℤ₂ lattice gauge theory on a hybrid qubit–oscillator quantum computer ini dipublikasikan dalam jurnal Nature Physics pada 25 September 2026.

Memahami Efek Aharonov-Bohm dalam Fisika Kuantum

Efek Aharonov-Bohm merupakan fenomena mekanika kuantum yang menunjukkan bahwa keberadaan medan magnet dapat memengaruhi perilaku partikel bermuatan, meskipun partikel tersebut tidak melewati wilayah yang memiliki medan magnet.

Fenomena ini pertama kali diprediksi oleh fisikawan Yakir Aharonov dan David Bohm pada 1959. Mereka menunjukkan bahwa partikel bermuatan yang bergerak mengelilingi suatu wilayah dengan fluks magnetik dapat mengalami perubahan fase kuantum yang terukur.

Fase kuantum merupakan bagian penting dari deskripsi matematis keadaan partikel. Perubahan fase ini dapat memengaruhi bagaimana gelombang kuantum saling berinteraksi, termasuk menghasilkan pola interferensi yang dapat diamati melalui eksperimen.

Dalam fisika klasik, pengaruh medan listrik dan medan magnet umumnya dijelaskan melalui interaksi lokal antara medan dan partikel. Namun, mekanika kuantum memberikan gambaran yang lebih luas. Efek Aharonov-Bohm memperlihatkan bahwa potensi elektromagnetik dan struktur medan memiliki peran penting dalam menentukan perilaku sistem kuantum.

Prediksi tersebut kemudian dikonfirmasi melalui eksperimen menggunakan elektron sungguhan. Kini, para peneliti berupaya memahami fenomena yang sama dalam kerangka teori yang lebih kompleks, yaitu teori gauge kisi.

Mengapa Lattice Gauge Theory Penting?

Lattice gauge theory merupakan kerangka matematis untuk mempelajari interaksi antara materi dan medan gauge. Pendekatan ini memiliki peran penting dalam fisika partikel dan fisika energi tinggi, termasuk dalam pemodelan interaksi fundamental.

Dalam teori tersebut, ruang direpresentasikan sebagai kisi yang terdiri atas titik-titik dan penghubung di antara titik-titik itu. Materi ditempatkan pada titik kisi, sedangkan medan gauge direpresentasikan melalui penghubung yang menghubungkan satu titik dengan titik lainnya.

Model ini memungkinkan para ilmuwan mempelajari bagaimana materi dan medan saling berinteraksi dalam suatu sistem kuantum.

Masalahnya, perhitungan lattice gauge theory menjadi semakin rumit ketika jumlah komponen dan interaksi di dalam sistem bertambah. Komputer klasik harus menangani kompleksitas matematis yang dapat meningkat secara signifikan seiring bertambahnya ukuran sistem.

Keterbatasan tersebut mendorong para peneliti mengeksplorasi komputer kuantum sebagai pendekatan alternatif. Alih-alih hanya menghitung perilaku sistem melalui persamaan matematis, mereka dapat membangun sistem kuantum fisik yang merepresentasikan model tersebut dan mengamati evolusinya secara langsung.

Metode ini dikenal sebagai simulasi kuantum. Pendekatan tersebut berpotensi membantu ilmuwan mempelajari fenomena yang sulit disimulasikan secara efisien menggunakan komputer konvensional.

Menggabungkan Qubit dan Osilator Kuantum

Eksperimen ini dikembangkan sejak 2022 oleh Dr. Sebastian Saner, Dr. Oana Bazavan, dan rekan-rekan mereka di Universitas Oxford, bekerja sama dengan Dr. Alejandro Bermudez dari Instituto de Física Teórica di Madrid. Tim menggunakan komputer kuantum hibrida yang menggabungkan dua komponen utama, yakni qubit dan osilator kuantum. Keduanya memiliki fungsi berbeda dalam merepresentasikan sistem fisik yang ingin dipelajari.

Qubit merupakan unit dasar informasi kuantum. Dalam eksperimen ini, qubit dikodekan menggunakan keadaan internal ion yang terperangkap dan digunakan untuk merepresentasikan medan gauge.

Sementara itu, osilator kuantum memanfaatkan gerakan getaran ion yang sama untuk menggambarkan materi. Kombinasi keduanya memungkinkan para peneliti merepresentasikan materi dan medan dalam satu sistem kuantum.

Untuk membangun model eksperimen, tim membuat sebuah loop atau lintasan tertutup yang menjadi elemen dasar teori gauge kisi. Loop tersebut terdiri atas dua osilator yang menggambarkan materi pada dua titik berbeda, serta dua qubit yang merepresentasikan medan gauge pada penghubung di antara kedua titik tersebut.

Dengan susunan ini, peneliti dapat mengamati bagaimana partikel materi berperilaku ketika bergerak melalui lintasan yang dipengaruhi oleh keadaan medan gauge.

Quantum Entanglement untuk Merepresentasikan Fluks Magnetik

Tahap berikutnya adalah menyiapkan kedua qubit dalam keadaan quantum entanglement. Dalam kondisi ini, keadaan kedua qubit saling berkaitan sehingga sistem tidak dapat sepenuhnya dijelaskan sebagai dua komponen klasik yang berdiri sendiri. Dalam model yang digunakan, keadaan keterikatan tersebut merepresentasikan fluks magnetik yang menembus loop.

Pada awalnya, pengodean fluks magnetik melalui qubit dilakukan sebagai solusi untuk mengatasi keterbatasan perangkat keras. Tim tidak dapat menghasilkan interaksi yang diperlukan untuk membentuk fluks magnetik sebagai latar belakang tetap melalui cara konvensional.

Namun, pendekatan tersebut justru memungkinkan para peneliti mengeksplorasi skenario yang lebih menarik: fluks magnetik direpresentasikan melalui medan gauge yang ikut berkembang secara dinamis bersama materi.

“Bagi kami, langkah yang menarik adalah mengodekan fluks magnetik dalam medan gauge yang bersifat dinamis. Alih-alih membiarkan materi berevolusi dalam latar belakang yang tetap, materi dan medan gauge menjadi bagian dari dinamika kuantum yang sama,” ujar Dr. Saner.

Pendekatan ini penting karena sistem yang disimulasikan tidak hanya menggambarkan materi yang bergerak dalam medan yang sudah ditentukan, tetapi juga memungkinkan materi dan medan menjadi bagian dari satu dinamika kuantum.

Interferensi Kuantum Menghentikan Penerowongan Partikel

Setelah sistem disiapkan, para peneliti mengamati partikel materi yang bergerak melalui proses quantum tunneling di sepanjang loop. Quantum tunneling merupakan fenomena ketika partikel dapat melewati penghalang energi yang tidak dapat dilewati melalui mekanika klasik dalam kondisi yang sama.

Hasil eksperimen memperlihatkan perbedaan perilaku yang jelas ketika fluks magnetik tidak ada dan ketika fluks tersebut hadir. Tanpa fluks magnetik, partikel dapat melakukan penerowongan di sepanjang loop. Namun, ketika fluks magnetik dimasukkan ke dalam sistem, dua jalur yang mungkin dilalui partikel menghasilkan interferensi destruktif.

Interferensi destruktif terjadi ketika kontribusi gelombang kuantum dari dua jalur saling meniadakan. Dalam eksperimen ini, efek tersebut menekan proses penerowongan hingga tidak terjadi, sehingga sistem tetap berada dalam keadaan awalnya.

Perubahan perilaku itu menunjukkan bagaimana fluks magnetik dapat memengaruhi dinamika partikel melalui efek fase kuantum, meskipun partikel tidak harus melewati wilayah yang mengandung medan magnet.

Dengan demikian, eksperimen tersebut mendemonstrasikan efek Aharonov-Bohm dalam sistem dinamis yang dibangun berdasarkan teori gauge kisi.

Sejalan dengan Penelitian Kuantum di Universitas Maryland

Penelitian dari Oxford ini dipublikasikan bersamaan dengan studi terkait yang dilakukan kelompok ilmuwan di Universitas Maryland, Amerika Serikat, di bawah pimpinan Profesor Norbert Linke. Kelompok tersebut menggunakan sistem kuantum hibrida untuk menyimulasikan potensial Yukawa, sebuah model interaksi yang relevan dalam fisika nuklir dan fisika partikel.

Kedua kelompok mengembangkan pendekatan penelitian secara independen sebelum mengoordinasikan pengiriman makalah mereka ke jurnal Nature Physics.

Meskipun mempelajari fenomena yang berbeda, kedua penelitian tersebut memiliki tujuan yang sejalan, yaitu menunjukkan bagaimana arsitektur kuantum hibrida dapat digunakan untuk menyimulasikan interaksi fundamental yang sulit ditangani menggunakan metode komputasi klasik.

Hasil ini memperkuat minat terhadap sistem kuantum hibrida sebagai salah satu pendekatan dalam pengembangan simulasi kuantum. Penggabungan berbagai jenis komponen kuantum memungkinkan peneliti memanfaatkan karakteristik fisik yang berbeda untuk merepresentasikan bagian-bagian sistem yang kompleks.