APLIKASI KUANTUM DALAM ELEKTRONIKA

Sifat kuantum dari electron juga penting dalam elektronika, terutama dalam desain mikroskopik yakni microchip. Sebagai contohnya, kelakuan suatu rangkaian, sangat tergantung pada kemampuan electron untuk menerobos halangan-halangan tertentu. Tetapi salah satu contoh yang paling rapi tentang penerapan fisika kuantum dalam kehidupan sehari-hari adalah laser. Suatu alat yang dapat dijumpai di setiap CD Player. Ketika sekoleksi atom atau molekul menjadi panas, mereka menyerap energi (mereka dikatakan tereksitasi), dan elektron di dalamnya akan diangkat ke tingkat energy yang lebih tinggi. Apabila dibiarkan dingin, elektron-elektron itu akan meloncat kembali ke tingkat energy yang lebih rendah memancarkan cahaya secara agak acak yang menghasilkan kurva radiasi benda hitam.
Tetapi jika radiasi lemah dengan energy yang tepat, efeknya adalah elektron-elektron dalam setiap atom (atau setidaknya sejumlah banyak atom) akan pindah ke tingkat keadaan tereksitasi. Sekarang, ketika mereka kembali ke bawah dari tingkat tereksitasi ini mereka akan memancarkan sebuah foton dengan besar energi yang sama. Bermilyar-milyar foton yang bergerak bersamaan inilah yang membentuk pancaran berintensitas tinggi dari cahaya monokromatis sebuah penguatan cahaya dengan pancaran terstimulasi dari radiasi atau Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)............

Pertunjukan laser pertama kepada public berlangsung pada tanggal 9 Mei 1969 di Mills College Oakland, kalifornia. Prinsipnya sangat sederhana – yang berasal dari perhitungan yang dilakukan Einstein di tahun 1916. Tetapi ternyata kesulitan teknologi untuk membawa sejumlah besar atom kekeadaan tereksitasi dan menjaganya di keadaan itu sampai siap untuk dipicu melepaskan energi, sangat besar, sehingga laser pertama tidak berhasil dibuat sampai setelah 40 tahun kemudian. Dan sekarang sinar laser diarahkan dengan menggunakan cermin yang dikendalikan dengan magnet dan peralatan elektronik yang dapat menggerakan sinarnya lebih cepat dari kemampuan mata mengikuti gerakannya. Berikut adalah bagaimana cara laser bekerja :

1. Cahaya laser terhasilkan dengan mengeksitasi elektron menggunakan sumber energi yang lemah. Ketika banyak elektron yang tereksitasi, pulsa energi lainya akan memicunya sehingga mereka semua jatuh ke tingkat rendah yang sama secara bersamaan. Ini berarti mereka akan memancarkan cahaya dengan panjang gelombang yang sama dalam bentuk pancaran murni yang terkonsentrasi.
2. Peralatan laser terdiri dari sebuah batang rubi dengan cermin di kedua ujungnya dan sumber cahaya di dekatnya.
3. Ketika tabung kilatan ditembakan, cahaya memasuki tabung rubi dan mengeksitasi elektron di kebanyakan atom.
4. Beberapa dari elektron yang tereksitasi jatuh kembali ke tingkat energi yang lebih rendah memancarkan foton ke segala arah.
5. Foton merambat sepanjang batangan terpantulkan oleh cermin, ,memicu lebih banyak atom untuk memancarkan foton.
6. Ketika cukup energitelah terbentuk, akan dilepaskan dari salah satu ujungnya sebagai pancaran cahaya laser yang berpanjang gelombang tunggal dan berintensitas tinggi.

Saat ini laser bisa didapatkan secara gratis bersamaan dengan perlengkapan hi-fi, untuk gantungan kunci. Aplikasi ini telah menjadi hal yang mudah di dapat dan menjadi hal yang biasa.

Tidak ada contoh yang lebih baik dari ini tentang bagaimana fisika kuantum telah menjadi bagian dari kehidupan sehari-hari sejak zamannya Einsten dan Bohr. Tetapi masih ada aspek dari dunia kuantum yang harus diselidiki dan digunakan sebagai tekhnologi baru untuk masa depan.

Kemudian contoh lain dari aplikasi dari prinsip-prinsip dalam kuantum yakni Teleportasi, gaya kuantum. Hal teraneh tentang dunia kuantum adalah caranya sebuah benda seperti elektron seakan-akan berada di beberapa tempat bersamaan. Dalam eksperimen celah ganda, sebagai contoh, sebuah elektron yang melewati peralatan seakan-akan “ mengetahui keseluruhan penataan eksperimennya dan kedudukannya dalam eksperimen tersebut. Ini disebut dengan non-lokalitas, karena elektron tidak terlokalisasi pada satu titik. Hanya ketika partikel berinteraksi dengan sesuatu ( seperti misalnya dengan layar TV) fungsi gelombangnya runtuh dan menjadi terlokalisasi.

Kebanyakan elektron sering berinteraksi dengan sesuatu. Elektron dalam sebuah atom berinteraksi dalam sebuah atom berinteraksi dengan inti atom, sehingga terlokalisasi tidak hanya di sekitar atom, tetapi juga pada tingkat energi tertentu. Tetapi benda kuantum dapat dipersiapkan dalam keadaan dimana mereka berinteraksi hanya dengan cara yang terbatas dengan benda kuantum lainnya, sehingga non-lokalitas akan muncul dalam bentuk penuhnya.

Eksperimen yang menunjukkan non-lokalitas kuantum dirancang oleh fisikawan Irlandia, John Bell, yang bekerja di CERN di Jenewa pada pertengahan tahun 1960-an. Beberapa tim eksperimen berusaha memenuhi tantangan mengubah ide tentang non-lokalitas menjadi kenyataan, dan demonstrasi yang meyakinkan terlaksana oleh sesuatu grup yang bekerja di Paris di awal 1980-an. Dalam eksperimen tersebut, sebuah atom diinduksi agar memancarkan dua buah foton secara silmultan dalam arah yang berlawanan. Karena kedua foton ini berasal dari tempat yang sama berarti mereka terkolerasi satu dengan lainnya dan, menurut persamaan-persamaan fisika kuantum, mereka tetap terkait walaupun terpisah jauh, seakan-akan mereka membentuk satu partikel. Eksperimen membuktikan bahwa pengukuran terhadap sifat dari salah satu foton pada satu sisi laboratorium mempengaruhi foton lainnya di sisi lain laboratorium secara simultan. Melalui eksperimen ini non-lokalitas dapat dilihat berlaku.

Sekitar pertengahan tahun 1990-an, para peneliti di Jenewa telah mengembangkan eksperimen semacam itu sehingga fotonnya sekarang dikirim melalui kabel serat optik sepanjang 10 km (6,2 Mil). Eksperimennya masih menunjukkan efek non-lokalitas. Kedua foton berkelakuan sebagai sebuah partikel walaupun ketika mereka terpisah 10 Km jauhnya. Dan tidaklah berlebihan bahwa hal ini adalah asli hasil eksperimen, dan bukan sekedar prediksi dari teori.

Walaupun beberapa pengaruh mengaitkan kedua foton secara simultan, tidak ada informasi bermanfaat yang merambat antara keduanya yang bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Pengukuran foton A mengganggu foton B secara acak. Pengamatan dapat menunjukan bahwa foton B telah terganggu, yang menunjukan bahwa sesuatu terjadi pada foton A, tetapi tidak dapat diketahui dengan pasti apa yang terjadi pada foton A. tetapi, bila beberapa informasi (tak lengkap) tentang apa yang dilakukan terhadap foton A dikirimkan kepada kita dengan melalui cara konvensional (dengan surat, e-mail, atau burung merpati pos), kita dapat menggabungkannya dengan pengamatan terhadap foton B untuk memperoleh informasi lebih dari yang akan kita dapatkan melalui salah satu jalur di antara kedua jalur. Ini memiliki implikasi kegunaan pad kriptografi dan sebagai akibatnya menyedot sejumlah pendanaan. Secara prinsip, sebuah pesan rahasia dapat dikirim dalam dua bagian, yang masing-masing secara sendirian tidak memiliki makna, tetapi salah satunya melibatkan keterkaitan kuantum. Keseluruhan pesan merambat dengan kecepatan tidak lebih dari cahaya karena kedua bagian dibutuhkan, tetapi keterkaitan kuantum tidak dapat dipotong diperjalanannya tanpa mengubahnya.

Bahkan mungkin suatu pesan itu adalah partikelnya sendiri, foton A – suatu bentuk teleportasi, walaupun tidak seperti yang terjadi pada Star Trek, yang menyebabkan banyak fisikawan berkata, “ini adalah teleportasi, Jim, tetapi bukan seperti yang kita kenal.” Kemungkinan ini ditunjukan oleh Charles Bennet dari Pusat Riset IBM di kota Yorktown Heights, New York, dalam sebuah karya tulis yang dipublikasikan di tahun 1993. Sejak itu, eksperimen telah mengkonfirmasi bahwa ide tersebut dapat bekerja, setidaknya dalam skala laboratorium.

Idenya bergantung pada kenyataan bahwa apabila sebuah benda tidak dapat dibedakan dari benda lainnya dalam cara apapun, maka mereka sebenarnya benda yang sama. Seperti sebuah fotocopy, maka akan memiliki dua benda yang pasti diketahui aslinya. Tetapi apabila yang aslinya hancur dalam proses, dan “salinannya” identik tak terbedakan dengan aslinya, maka itu bukan sekedar sebuah salinan sama sekali. Itu adalah aslinya.

Teleportasi kuantum bekerja sebagai berikut. Dua foton yang terkait dipersiapkan sebagaimana biasanya. Salah satunya dibawa ke tempat yang jauh (ke bulan, misalnya). Yang satu lagi dibiarkan berinteraksi dengan sebuah elektron, dan semua informasi tentang interaksi ini (yang merusak keadaan kuantum asli dari foton) disimpan. Interaksi ini akan mengubah keadaan kuantum dari foton di dalam sebuah kotak di Bulan, tetapi tidak seorangpun di Bulan yang mengetahui hal ini. Sekarang, hasil interaksi antara foton dan elektron di Bumi tadi dapat dikirim ke Bulan, dengan roket, atau sinar laser, atau metode konvensional lainnya yang tidak melibatkan perambatan lebih cepat dari cahaya. Dipersenjatai dengan informasi ini, seorang fisikawan yang berkeahlian di Bulan dapat mengutak-atik foton di dalam kotak sedemikian rupa sehingga utak-atiknya melenyapkan perubahan yang disebabkan karena keterkaitannya, dan menghasilkan salinan yang persis seperti foton yang pertama. Bahkan sesungguhnya dengan berbagai eksperimen yang masuk akal, foton ini adalah (sama dengan) foton yang pertama.

Perlu diperhatikan bahwa hal semacam ini sebenarnya telah dilakukan, untuk sepasang foton yang dipisahkan dengan jarak beberapa meter. Pada satu tingkatan, hal semacam ini agak sia-sia dilakukan untuk sebuah foton, karena seluruh proses berlangsung lebih lambat dibandingkan dengan kecepatan cahaya, dan akan lebih cepat mengirim foton melewati ruangan dengan cara konvensional. Tetapi ini menunjukan bahwa secara prinsip memungkinkan bagi suatu salinan yang persis dari suatu objek fisis dikirim memakai cara ini melewati sembarang jarak ruang, dengan ketentuan bahwa seluruh proses harus berjalan dengan kecepatan kurang dari kecepatan cahaya. Sejauh ini, eksperimen teleportasi hanya melibatkan satu foton atau elektron akan tetapi untuk menteleportasi seorang manusia yang hidup, computer memerlukan informasi tentang setiap partikel pada setiap atom dari tubuh manusia. Bila ada satu kesalahan, bisa jadi mayat yang diangkatkan ke atas kapal oleh scoty.

Seberapa cepat ide-ide ini akan menjadi hal-hal yang dapat diterapkan dalam dunia di luar laboratorium tetap masih perlu ditunggu, tetapi ada sedikit keraguan bahwa hal-hal ini akan mempengaruhi kehidupan kita tidak berapa lama lagi di masa depan. Lebih dari 150 tahun

computer elektronik modern telah bergantung pada sifat kuantum dari elektron dan atom dalam cara kerja mikrochip. Tetapi tim-tim riset di berbagai penjuru dunia telah mengusahakan kemungkinan pembuatan sebuah computer kuantum sesungguhnya, yang merupakan pengembangan dari komputer terbaik saat ini sebagaimana computer saat ini merupakan pengembangan dari sempoa. Cara terbaik untuk menggambarkan bagaimana alat semacam itu bekerja adalah dengan menggunakan ide superposisi keadaan. Para fisikawan masih berdebat apakah benda sperti seekor kuncing dapat berada dalam sebuah superposisi, tetapi tidak ada keraguan bahwa sebuah elektron dapat berada dalam dualitas superposisi ini. Sebagai contoh, sebuah elektron di dalam atom dapat berada dalam dua keadaan-keadaan dasar dengan energi terendah, atau keadaan tereksitasi yang dapat dicapainya bila ia memiliki energi yang cukup. Kedua keadaan ini dapat berkaitan dengan bilangan 0 dan 1 dalam kode biner standar dari komputer. Sebuah unit informasi kuantum tunggal semacam itu sering dikatakan sebagai sebuah titik kuantu. Apabila cahaya dengan panjang gelombang yang tepat disinarkan pada atom dalam selang waktu yang tepat, maka akan memungkinkan untuk menghasilkan situasi dimana terdpat kebolehjadian 50:50 bagi elektron untuk berada pada salah satu dari dua keadaan ini. Dalam fisika kuantum, hal ini sama dengan mengatakan bahwa fungsi gelombang elektron