Para peneliti telah mencapai hasil yang luar biasa: menangkap dan mempelajari perubahan fase dalam perangkat keras kuantum, yang memegang janji untuk teknologi generasi berikutnya seperti komputasi kuantum dan sensor ultra-sensitif.
Transisi fase, seperti pembekuan air menjadi es, adalah bagian yang akrab dari dunia kita. Tetapi dalam sistem kuantum, mereka dapat berperilaku lebih dramatis, dengan sifat kuantum seperti ketidakpastian Heisenberg memainkan peran sentral. Selain itu, berbagai efek palsu dapat menyebabkan sistem kehilangan, atau menghilangkan energi ke lingkungan. Ketika itu terjadi, tesis “transisi fase disipatif” (DPTS) mendorong sistem kuantum ke keadaan baru.
Ada berbagai jenis atau “pesanan” DPT. DPT orde pertama seperti membalik sakelar, menyebabkan lompatan tiba-tiba di antara negara-negara. DPT orde kedua lebih halus tetapi masih transformatif, mengubah salah satu fitur global sistem, yang dikenal sebagai simetri, dengan cara yang halus namun mendalam.
DPT adalah kunci untuk memahami bagaimana sistem kuantum berperilaku dalam kondisi non-ekuilibrium, di mana argumen berdasarkan termodinamika sering gagal memberikan jawaban. Di luar rasa ingin tahu murni, ini memiliki implikasi praktis untuk membangun komputer dan sensor kuantum yang lebih kuat. Misalnya, DPT orde kedua dapat meningkatkan penyimpanan informasi kuantum, sementara DPT orde pertama mengungkapkan mekanisme penting stabilitas dan kontrol sistem.
Secara teoritis, DPT telah diprediksi untuk menampilkan sifat-sifat spesifik, seperti memperlambat dan bistabilitas, terjadi dengan skala hukum daya tertentu. Sejauh ini, mengamati mereka telah menjadi rintangan ilmiah utama – terutama yang orde kedua.
Tapi sekarang, tim peneliti telah melakukan hal itu. Dipimpin oleh Profesor Pasquale Scarlino di EPFL, mereka mengembangkan resonator Kerr superkonduktor, perangkat dengan sifat kuantum yang dapat dikendalikan, dan merekayasanya untuk mengalami drive dua foton, yang mengirimkan pasangan foton ke dalam sistem untuk mengontrol keadaan kuantumnya dengan hati-hati dan mempelajari bagaimana transisi antara phase yang berbeda.
Dengan memvariasikan secara sistematis parameter seperti detuning dan drive amplitudo, mereka dapat mempelajari transisi sistem dari satu keadaan kuantum ke keadaan lain. Pendekatan ini memungkinkan mereka untuk mengamati DPT orde pertama dan orde kedua.
Untuk memastikan akurasi, percobaan dilakukan pada suhu dekat nol absolut, mengurangi kebisingan latar belakang menjadi hampir tidak ada. Resonator Kerr sangat penting karena dapat memperkuat efek kuantum yang seringkali terlalu halus untuk diamati. Karena dapat merespons sinyal dua foton dengan sensitivitas ekstrem, para peneliti dapat menggunakannya untuk mengeksplorasi transisi fase dengan pengaturan tradisional yang belum pernah terjadi sebelumnya tidak dapat dicapai.
Pengaturan memungkinkan tim untuk memantau perilaku foton yang dipancarkan oleh resonator dengan detektor ultra-sensitif. Dengan menggunakan teknik matematika canggih, seperti koneksi dengan sifat spektral dari Liouvillian Superoperator-alat yang memodelkan proses kuantum yang kompleks-para ilmuwan dapat secara tepat melacak dan menganalisis transisi fase sistem.
Untuk DPT orde kedua, tim mengamati sebuah fenomena yang disebut “pemerasan,” di mana fluktuasi kuantum turun ke tingkat yang lebih rendah dari kebisingan alami ruang kosong, menandakan bahwa sistem telah mencapai keadaan yang sangat sensitif dan transformatif. Sementara itu, DPT orde pertama menunjukkan siklus histeresis yang berbeda, di mana sistem dapat ada di dua negara tergantung pada bagaimana parameter disetel.
Kedua, mereka menemukan bukti yang jelas tentang keadaan metastabil selama DPT orde pertama, di mana sistem sementara tetap dalam satu keadaan stabil sebelum tiba-tiba beralih ke yang lain. Perilaku ini, yang mengarah pada ketergantungan keadaan sistem pada sejarah sebelumnya yang dikenal sebagai histeresis, menampilkan bagaimana DPT orde pertama melibatkan fase yang bersaing.
Terakhir, mereka mengamati “pelambatan kritis” pada kedua jenis transisi yang mereproduksi penskalaan yang diharapkan yang diperoleh dari pertimbangan teoretis. Ini pada akhirnya menunjukkan validitas prediksi teoritis berdasarkan teori Liouvillian yang digunakan oleh penulis. Di dekat titik -titik kritis, respons sistem melambat secara signifikan, menyoroti fitur universal dari transisi fase yang dapat dimanfaatkan untuk pengukuran kuantum yang lebih tepat.
Memahami DPTS membuka kemungkinan baru untuk rekayasa sistem kuantum yang stabil dan responsif. Ini dapat merevolusi teknologi informasi kuantum, seperti koreksi kesalahan dalam komputasi kuantum atau pengembangan sensor kuantum ultra-sensitif.
Secara lebih luas, penelitian ini menampilkan kekuatan fisika eksperimental pencampuran kolaborasi interdisipliner, model teoretis canggih, dan rekayasa mutakhir untuk menjelajahi perbatasan sains.
“Faktanya, aspek yang sangat menarik dari karya ini adalah bahwa ia juga menunjukkan seberapa dekat kolaborasi antara teori dan eksperimen dapat mengarah pada hasil yang jauh lebih besar daripada apa yang bisa dicapai oleh salah satu kelompok secara mandiri,” kata Guillaume Beaulieu, penulis pertama makalah tersebut.
Referensi
Guillaume Beaulieu, Fabrizio Minganti, Simone Frasca, Vincenzo Savona, Simone Felicetti, Roberto Di Candia, Pasquale Scarlino. Pengamatan transisi fase disipatif orde pertama dan orde kedua dalam resonator Kerr yang digerakkan dua foton. Komunikasi Alam 10 Maret 2025. DOI: 10.1038/S41467-025-56830-W
