Jadi sekarang saya ingin melanjutkan dan berbicara tentang benih Revolusi Kuantum Kedua. Untuk melakukan itu, saya ingin mengilustrasikan beberapa fisika dasar yang telah membawa ke Revolusi Kuantum Kedua (Second Quantum Revolution). Ini sangat menggetarkan untuk berbicara kepada Anda hari ini di ruang kuliah Thomas Young, di sini di Royal Institution, di mana dia pasti melakukan eksperimen ini kepada audiens yang tertarik seperti Anda.
Kembali pada tahun 1802, sekarang percobaan ini mengungkapkan bahwa cahaya jelas merupakan gelombang yang melewati ruang. Pada tahun 1802 tidak jelas apa yang sebenarnya apa itu gelombang. Inilah yang dilakukan Thomas Young dengan baik, tidak persis seperti ini, tetapi dekat dengan ini. Inilah yang terlihat di bentuknya yang modern.
Pertama-tama Anda mengambil sumber cahaya, tentu saja Thomas Young pada tahun 1802 tidak memiliki bola lampu listrik karena belum ditemukan. Jadi dia menggunakan cahaya dari bintang terdekat, matahari. Cahaya itu melewati kolimator sempit, di mana ia menghasilkan gelombang cahaya. Kemudian sinar itu datang pada penghalang dengan dua celah. Gelombang yang melewati kedua celah itu kemudian menciptakan pola interferensi di layar.
Sekarang saya ingin mendemonstrasikannya di ruang kuliah. Kami menggunakan laser. Itu sumber cahaya yang sangat terang. Di depan laser ada 2 celah sempit. Anda bisa melihat pola interferensi yang dibuat oleh gelombang cahaya yang melewati dua celah. Ketika puncak dalam satu gelombang tumpang tindih dengan puncak dari gelombang lain, Kita mendapatkan garis terang atau interferensi konstruktif. Ketika palungn salah satu gelombang tumpang tindih dengan puncak dari gelombang yang lain, Kita mendapatkan garis gelap atau interferensi destruktif.
Ini sangat berbeda dengan apa yang akan Anda dapatkan jika cahaya adalah partikel klasik. Anda dapat membayangkan melempar bola yang sangat kecil ke penghalang dengan dua celah. Anda akan mendapatkan di layar di sini adalah bayangan dari dua celah, bukan pola interferensi yang indah ini. Yang merupakan konsekuensi langsung dari sifat cahaya seperti gelombang. Diagram di bawah sini, di kanan bawah tangan Thomas Young, menjelaskan mengapa Anda memasukkan baris itu ke dalam pola interferensi terang dan gelap.
Sekarang kita maju 100 tahun setelahnya ke 1905. Einstein mengalami tahun ajaibnya, di mana dia menerbitkan empat gagasan baru dalam fisika yang konsekuensinya masih kita bongkar bahkan di abad ke-21. Gagasan paling radikal yang dia terbitkan di 1905 tampaknya bertentangan dengan kesimpulan Young dari percobaan celah ganda bahwa cahaya adalah gelombang.
Einstein menulis dalam pengantar salah satu makalahnya tahun 1905, menurut asumsi untuk direnungkan di sini. Dalam makalahnya, ketika sebuah cahaya sinar menyebar dari sumber titik, energinya adalah tidak tersebar secara terus-menerus seiring dengan meningkatnya ruang, tetapi terdiri dari kuanta energi. Kuanta energi dalam jumlah terbatas yang terlokalisasi dalam titik-titik dalam ruang. Kuanta energi bergerak tanpa terbagi. Kuanta energi dapat diserap atau dihasilkan hanya secara keseluruhan.
Kalimat ini dalam makalah Einstein tahun 1905 secara luas dianggap sebagai kalimat paling revolusioner yang ditulis oleh seorang fisikawan di abad ke-20. Jadi itu hal yang sulit untuk didemonstrasikan di ruang kuliah tetapi saya ingin memberi Anda gambaran tentang cara kerjanya.
Pertama-tama saya mengambil tongkat plastik. Saya jauh-jauh dari Australia untuk demonstrasi ini untuk Anda. Anda yang mengagumi lukisan di depan ruang kuliah ini akan mengenali peralatan kecil ini. Itu adalah elektroskop. Yang akan saya lakukan adalah mengisi muatan elektroskop dengan menggosok beberapa elektron dari tongkat plastik ke karet, dan membawanya ke elektroskop, membumikannya, lalu memindahkannya. Saya baru saja mengisi daya elektroskop dengan induksi.
Bagi Anda yang duduk di belakang mungkin sedikit sulit untuk melihat. Kita bisa melihat kedua daun elektroskop ini telah dibelokkan karena mereka telah diisi muatan sejenis. Sekarang elektroskop ini memiliki selembar seng di atasnya. Saya sekarang akan menyorotkan cahaya yang sangat terang ke seng. Mendorong elektron dari permukaan seng dengan lampu pijar yang indah ini yang diproduksi dari arsip Royal Institution, yang saya gunakan dalam demonstrasi ini untuk Anda malam ini.
Apakah ada yang terjadi? tidak ada yang terjadi, tentu saja tidak ada yang terjadi. Karena foton dalam obor ini terlalu lemah secara individual untuk mengeluarkan elektron dari permukaan seng. Sekarang kami mencoba menggunakan cahaya terang lainnya yang dimiliki oleh Royal Institution, termasuk sinar ultraviolet yang sangat berbahaya. Tetapi sayangnya sinar ultravioletnya tidak cukup berbahaya untuk permukaan seng. Fotonnya tidak cukup energik.
Jadi untuk menunjukkan demonstrasi ini, saya harus menunjukkan demonstrasi yang direkam di laboratorium saya di Melbourne. Jika Anda menggunakan foton yang secara individual cukup energik untuk menjatuhkan elektron dari permukaan seng. Anda dapat menetralkan elektroskop. Ini adalah gagasan Einstein dari tahun 1905.
Untuk menjelaskan fenomena cahaya yang keluar dari lampu sorot itu atau dari laser itu atau dari sinar ultraviolet yang sangat berbahaya. Lampu yang akan saya tunjukkan sebentar lagi terdiri dari paket energi individual yang tidak dapat dibagi lagi. Dengan kata lain, Anda tidak dapat memiliki setengah foton. Anda harus mengambil seluruh foton atau tidak sama sekali. Ini adalah ide yang agak tidak biasa pada tahun 1905, tetapi telah diuji berulang kali dan ternyata benar. Inilah efek fotolistrik. Yang akhirnya Einstein mendapatkan Hadiah Nobel.
Inilah ide dasarnya. Di sana terdapat sepotong seng, yang mana sejumlah elektron terikat di permukaannya. Beberapa gelombang cahaya mendekati permukaan seng. Inilah foton yang terkait dengan gelombang itu. Sekarang di sinilah ide aneh muncul, meskipun gelombang itu menyebar ke seluruh permukaan potongan seng itu, foton hanya dapat diserap seluruhnya atau tidak sama sekali. Sehingga setiap foton entah bagaimana merasakan semua elektron pada permukaan seng. Karena itu adalah gelombang, tentu foton dapat menjangkau semua elektron pada saat yang sama, dan menemukan satu elektron yang disukainya. Saya sedang metaforis di sini, bahwa foton tidak merasakan elektron.
Foton hanya melepaskan satu elektron dari permukaan seng. Sehingga seolah-olah foton dalam manifestasinya yang seperti gelombang tersebar di area yang luas di beberapa tempat pada waktu yang sama, tetapi semuanya akhirnya terserap di satu tempat dan memberikan semua energinya untuk satu elektron. Jadi ini adalah apa?
Ini adalah apa yang kita lakukan di Melbourne dengan cahaya kita yang sangat kuat. Saya hanya akan mempercepat video ini menjadi dua menit. Saya tidak perlu suaranya, karena saya akan melakukan sulih suara. Jadi di sini asisten saya, Steve, memiliki sinar ultraviolet yang sangat berbahaya ini. Steve membawanya ke elektroskop menyinari pelat seng dan Anda bisa melihat, daun deflektor elektroskop menutup. Sehingga muatan negatifnya bocor ke udara di dalam ruangan itu. Jadi itulah yang terjadi jika foton Anda cukup energik untuk berinteraksi dengan elektron dan mengeluarkannya satu per satu.
Cara lain untuk melihat ini, yang mungkin lebih mudah dipahami adalah membayangkan Anda sedang berselancar. Saya kira ini tidak bekerja dengan baik di Inggris seperti halnya di Australia, tetapi bayangkan Anda sedang berselancar dan Anda melihat gelombang ini mendekat dan ada banyak peselancar berbaris siap untuk menangkap gelombang. Dalam ide Einstein hanya satu peselancar yang dapat menangkap gelombang. Sehingga seperti dua peselancar lainnya kiri dan kanan dibiarkan rata di air, atau tidak terpengaruh oleh ombak, dan hanya pria peselancar di tengah menangkap seluruh gelombang. Sehingga dalam beberapa hal, fungsi gelombang yang menggambarkan gelombang runtuh hanya ke satu titik ketika harus berinteraksi dengan partikel. Ini adalah misteri mendasar mekanika kuantum.
Tempo hari di bawah ketentuan persekutuan, Saya berkeliling memberikan kuliah di universitas yang berbeda dan saya pergi ke Universitas Surrey. Naik kereta api pada salah satu hari luang. Yang saya tekankan dan saya melihat tanda ini di Stasiun Guildford. Sebagai fisikawan ini membuat saya sangat gugup. Karena mereka meminta saya untuk menyebar di sepanjang peron seperti partikel kuantum, tetapi saya terlalu besar. Saya adalah partikel klasik Jadi saya tidak dapat mematuhi tanda itu. Atau mungkin hanya dengan membaca tanda itu membuat saya teralihkan ke tempat yang satu ini. Jadi Saya bisa membaca tandanya. Saya tidak tahu. Saya pikir itu adalah tanda yang sangat mengganggu.
Mari kita maju ke tahun 1911, ketika Ernest Rutherford merekayasa balik inti atom. Ia menemukan inti yang dikelilingi oleh awan elektron. Nukleus memiliki ukuran seperti ukuran partikel debu yang mengambang di dalam katedral, yang mewakili awan elektron. Sesuatu yang sangat kecil dan sangat padat. Hanya beberapa tahun kemudian setelah pascadoktoralnya, Niels Bohr mengusulkan model atom kuantum. Dia menemukan bagaimana elektron yang mengorbit nukleus itu, supervisor-nya telah menentukan bagaimana elektron tersebut mengorbit. Mereka mengorbit bukan dengan lintasan klasik seperti yang Anda lihat dengan planet yang mengorbit Matahari. Tetapi mereka mengorbit dalam gelombang berdiri. Sekarang, apa yang luar biasa tentang gagasan itu adalah bahwa mekanika kuantum adalah awal dari perwujudan di lebih banyak tempat, tidak hanya dengan efek fotolistrik Einstein.
Hal luar biasa lainnya tentang makalah Bohr, baik Rutherford dan Bohr bekerja di Universitas Manchester, pada saat penemuan ini di mana saya berbasis saat ini adalah bahwa makalah Bohr dibaca untuk pertama kalinya di sebuah konferensi di departemen fisika di University of Melbourne. Saya tidak ada di sana pada tahun 1914 ketika itu dibaca. Tetapi Asosiasi Inggris untuk kemajuan sains mengadakan pertemuannya di Australia pada tahun 1914. Itu berputar di sekitar persemakmuran Inggris. Setelah pergi ke Kanada dan kali ini pergi ke Australia. Rutherford adalah presiden British Association postdoc-nya Niels Bohr, tidak ada di sana, dia sedang berlibur. Jadi Rutherford membaca koran dan sungguh luar biasa bahwa ide orisinal tentang atom kuantum ini. Seharusnya ide ini diperdengarkan di sebuah konferensi untuk pertama kalinya di gedung fisika lama di University of Melbourne.
Kami memiliki catatan rinci tentang pertemuan itu. Para ahli kimia di antara hadirin berpikir bahwa fisikawan harus tetap berpegang pada fisika dan tidak ikut campur dalam teori atom. Karena semua orang tahu atom adalah kotak. Mereka dengan enggan mengakui bahwa tampaknya ada beberapa butir Kebenaran dalam ide-ide ini meskipun mereka cukup radikal. Kita sekarang tahu bahwa Kita dapat menggambarkan sifat mekanika kuantum dari materi menggunakan persamaan Schrodinger.
Apakah Anda pergi ke kuliah Einstein di Royal Institution dan mengajarkan persamaan Schrodinger. Anda dapat mengatakan ya, kami melakukannya. Persamaan Schrodinger tidak ada yang misterius tentang itu. Hanya saja kami sudah akrab di dunia klasik, bahwa energi partikel seperti bola kriket ini merambat melalui ruang, atau Bulan ini yang mengorbit planet. Itu hanya diberikan oleh jumlah energi karena gerak (energi kinetik) ditambah energi karena interaksi apa pun antara kedua benda seperti gravitasi atau gaya elektrostatik (energi potensial).
Persamaan eenrgi secara klasik: ½m² + mgh = E. Persamaan energi secara quantum: (-ħ²/2m)(∂ψ²/∂x²) + V(x)ψ = Eψ
Untuk mekanika kuantum, kita harus dapat menggambarkan hal-hal yang di banyak tempat pada saat yang sama, sebuah gelombang. Jadi kita hanya menerjemahkan ide-ide klasik, energi kinetik dan energi potensial ke dalam fungsi. Sehingga kita dapat menemukan bentuk gelombang yang diwakili oleh ψ. Konsepnya persis sama. Kita hanya mengganti besaran skalar dengan besaran fungsi.
Untuk sistem sederhana seperti elektron yang mengorbit proton dalam atom hidrogen, bentuk gelombang ψ mengarah ke bentuk tiga dimensi yang indah ini, yang menggambarkan sifat elektron dalam bahasa mekanika kuantum, dalam orbitbnya mengelilingi proton pada atom Hidrogen. Hal ini dapat diterapkan pada banyak unsur lain dalam tabel periodik, termasuk atom fosfor dalam kristal silikon.
Langkah selanjutnya dalam Perjalanan mekanika kuantum adalah penemuan spin (arah putaran elektron pada orbitnya). Sekarang ada baiknya menghabiskan beberapa saat untuk berbicara tentang spin. Karena itu sebenarnya konsep yang agak aneh. Pertama-tama, saya punya mainan anak-anak (gasing). Di atas gasing terdapat titik tajam, yang berarti Anda tidak bisa menyeimbangkannya, Anda tahu tidak akan seimbang. Lihat apa yang terjadi jika Anda memberinya sedikit putaran, gasing akan seimbang, tidak jatuh seperti yang terjadi sebelumnya.
Dimana gasing berputar disana terdapat medan gravitasi bumi. Gravitasi mencoba untuk merobohkan gasing. Untuk alasan yang berkaitan dengan vektor kecepatan yang terus berputar, Ujung gasing dapat mengimbangi medan gravitasi bumi dengan mengarahkan gaya vertikal keatas. Namun kecepatan putar gasing semakin melambat karena gesekan dengan meja. Goyangan gasing menjadi semakin ekstrim, dan semakin ekstrim, sampai akhirnya gasing menyerah pada gravitasi seperti biasanya. Ini adalah objek klasik
Ternyata jauh di dalam atom, elektron yang mengorbit nukleus juga berputar seperti ini. Jadi kami menggambarkannya dengan objek yang terlihat seperti ini. Ini hanya salah satu yang saya buat sendiri dari bahan yang saya dapatkan dari toko kerajinan lokal, dan tabung glitter berperekat yang bagus. Anggap ini sebagai elektron atau inti atom. Itu berputar pada porosnya. Kami mewakili arah spin menggunakan aturan tangan kanan. Di mana ibu jari saya menunjuk ke arah vektor mewakili arah spin.
Sekarang apa yang ditemukan pada tahun 1921 adalah atom perak bagian dalam yang diketahui tidak memiliki spin, kecuali elektron terakhir yang ditambahkan untuk membentuk seluruh atom, yang dengan sendirinya berada di kulit terluar. Sehingga keseluruhan spin atom perak pada dasarnya dibawa oleh elektron terakhir. Ketika Anda mendidihkan atom perak dalam ruang hampa dari tungku, dan melewatkannya melalui medan magnet yang sangat kuat, Anda menemukan bahwa berkas atom perak terbelah menjadi dua ketika melewati medan magnet.
Dengan cara yang sama kita melihat goyangan bagian atas ini karena adanya medan gravitasi. Tetapi sekarang kita berbicara tentang putaran mekanika kuantum dalam medan magnet. Prinsip fisiknya sangat mirip, dan kapan percobaan ini dilakukan pertama kali dari semua ini adalah hasil dari seberkas atom silikon yang mengenai kartu pos ini tanpa medan magnet. Anda hanya melihat garis atom perak menumpuk ke dalam kartu. Kemudian ketika Anda menghidupkan medan magnet, Anda menemukan garis terbelah menjadi dua.
Dua garis paralel karena Anda perlu menggunakan medan tidak homogen yang sangat kuat tetapi penemuan ini segera dilaporkan ke Niels Bohr yang saat itu telah meninggalkan Manchester dan kembali ke Kopenhagen untuk mengepalai Lembaga Penelitian baru. Karena sangat menarik, sehingga tidak terduga di dalam atom adalah objek yang sekarang kita ketahui adalah elektron yang berputar dan mereka berproses dalam medan magnet dengan cara yang sama seperti proses teratas dalam medan gravitasi.
Yang misterius adalah bahwa spin hanya dapat memiliki dua kemungkinan orientasi. Yang dicerminkan oleh fakta. hanya ada dua garis di sini. Sehingga disimpulkan bahwa atribut mekanika kuantum dari sebuah elektron sedemikian rupa sehingga dapat berputar ke atas, atau berputar ke bawah, tetapi tidak ada di antara ruang di lauar kondisi tersebut. Spin haruslah terkuantisasi.
Seperti bagian atas ini hanya dapat bergoyang seperti ini, atau seperti itu, tidak ada di antaranya. Yang tentu saja tidak berlaku untuk puncak yang sebenarnya. Karena ini adalah objek makroskopis yang sangat besar, dan mekanika kuantum tersembunyi. Ini adalah atribut materi quantum, yang ditemukan pada tahun 1922.
Sekarang Anda dapat melihat efek yang sama dengan mengambil cahaya dari matahari, kemudian cahaya tersebut melewati celah ini dan masuk ke dalam spektrometer, seperti mendispersikan cahaya melalui semua warna pelangi. Garis hitam ini mewakili celah spektrometer. Celah ini segaris dengan bintik matahari di mana medan magnet berada sangat kuat. Cukup pasti ketika Anda melihat warna cahaya yang berasal dari permukaan Matahari, Anda menemukan bahwa jauh dari Bintik Matahari itu adalah satu warna. Kemudian ketika cahaya berasal dari Bintik Matahari dalam hal ini terbagi menjadi tiga, bukan dua akan tetapi tiga. Ini kemudian ditemukan karena fakta bahwa spin memiliki bilangan kuantum yang berbeda dengan bilangan bulat, untuk spin elektron selalu setengah. Ini mengungkap banyak tentang mesin internal tentang bagaimana elektron mengorbit inti atom. Sehingga semua hal ini diringkas menjadi iterasi pertama mekanika kuantum.
Di mana Paul Dirac di sini di Inggris adalah salah satu eksponen terkemuka. Pada tahun 1928, Dirac membuat pengamatan yang agak menyedihkan. Hukum fisika yang mendasari yang diperlukan untuk teori matematika Persamaan Schrodinger sebagian besar fisika dan seluruh kimia telah sepenuhnya diketahui. Saya tidak tahu apakah para ahli kimia akan setuju tetapi itu adalah pandangan fisikawan. Kesulitannya hanya bahwa penerapan yang tepat dari hukum-hukum ini mengarah pada persamaan yang jauh lebih rumit, menjadi larut.
Mari kita kembali ke molekul kafein. Betapa indahnya molekul yang berlabuh dengan semua reseptor fisika di otak dan membuatnya berputar lebih cepat. Anda mendapatkan ide-ide baru, dan Anda senang berbicara tentang mekanika kuantum dan berputar dan mengarahkan depresi pengamatan. Molekul kafein memiliki 100 elektron berputar yang mengorbit karbon hidrogen dan oksigen yang membentuk molekul yang merupakan elektron kecil yang saya buat juga yang hanya dapat memiliki dua orientasi dalam ruang.
Jumlah interaksi elektron elektron di antara mereka 100 elektron kulit terluar dalam molekul diatur oleh persamaan Schrodinger. Ada begitu banyak interaksi yang bahkan superkomputer terbaik di dunia pun tidak berdaya untuk menghitung struktur molekul kafein. Hanya dapat melakukan sekitar 30 elektron. Setiap kali Anda menambahkan elektron lain, Anda mendapatkan lebih banyak interaksi elektron elektron. Masalahnya menjadi sulit secara eksponensial. Sehingga duduk selama 70 atau 80 tahun.
Bagian 1: Komputasi Kuantum Di Abad Ke-21 (Revolusi Kuantum Pertama)
Bagian 2: Komputasi Kuantum Di Abad Ke-21 (Teori Kuantum Dan Efek Fotolistrik)
Bagian 3: Komputasi Kuantum Di Abad Ke-21 (Revolusi Kuantum Kedua)
Pemateri: Prof. David Jamieson
Judul Asli: Quantum computing in the 21st Century
Sumber: https://www.youtube.com/@TheRoyalInstitution
Komentar
Posting Komentar