Arina.id - Sebuah tim penelitian yang dipimpin oleh Universitas Oxford telah menemukan sebuah kontributor atau penyebab misterius dan tidak terduga terhadap sebuah entropi--energi yang terbuang dari proses sistem termodinamika--dalam pencatatan waktu jam kuantum.
Jam kuantum atau jam atom adalah alat pengukur waktu yang diklaim sangat presisi dengan memanfaatkan prinsip-prinsip mekanika kuantum untuk menentukan durasi satu detik. Tidak seperti jam mekanis atau kuarsa yang mengandalkan osilasi pegas atau kristal, jam kuantum mengukur waktu berdasarkan transisi energi elektron di dalam atom.
Penggunaan yang paling dikenal misalnya sistem navigasi satelit seperti GPS (AS), GLONASS (Rusia), Galileo (Eropa), dan Beidou (Tiongkok).
Dalam temuan yang dipublikasikan pada 14 November 2025 di Physical Review Letters, para peneliti menunjukkan bahwa energi yang dibutuhkan untuk membaca jam kuantum jauh lebih besar ketimbang energi yang dibutuhkan untuk menjalankannya. Mereka menemukan peluang dan tantangan baru untuk mengembangkan teknologi kuantum generasi mendatang.
Jam tradisional, mulai dari pendulum hingga osilator atom, bergantung pada proses ireversibel--proses termodinamika--tanpa meninggalkan perubahan permanen untuk mendeteksi waktu. Pada tingkat kuantum, proses-proses ini menjadi sangat lemah atau bahkan hampir tidak terjadi sama sekali, yang seharusnya membuat pencatatan waktu tepat menjadi jauh lebih rumit.
Perangkat seperti sensor kuantum dan sistem navigasi yang mengandalkan ketepatan waktu, akan membutuhkan jam internal hemat energi. Hingga saat ini, perilaku termodinamika sistem-sistem ini sebagian besar masih belum diketahui.
Dikutip dari sciencedaily, para peneliti berupaya menentukan beban termodinamika sebenarnya dalam menjaga waktu di alam kuantum dan memisahkan berapa banyak biayanya dampak dari tindakan pengukuran.
Untuk mengeksplorasi hal ini, mereka membangun sebuah jam kecil menggunakan elektron tunggal yang melompat di antara dua wilayah skala nano (dikenal sebagai titik kuantum ganda). Setiap lompatan berfungsi sebagai detak seperti jam.
Tim kemudian memantau detak ini menggunakan dua teknik berbeda; satu teknik mengukur arus listrik yang sangat kecil, sementara teknik lainnya menggunakan gelombang radio untuk mendeteksi perubahan halus dalam sistem.
Dalam kedua pendekatan tersebut, detektor mengubah peristiwa kuantum (lompatan elektron) menjadi informasi klasik yang dapat direkam: transisi kuantum-ke-klasik.
Kejutan Energi Pengukuran Miliaran Kali Lipat
Tim menghitung entropi jumlah energi yang tidak tersisa atau terdisipasi yang dihasilkan oleh jam itu sendiri (yaitu, titik kuantum ganda) maupun oleh perangkat pengukuran. Hasilnya, energi yang terbuang itu besarnya mencapai satu miliar kali lebih besar daripada energi yang digunakan oleh mesin jam tersebut.
Hasil ini menantang keyakinan lama bahwa biaya pengukuran dalam fisika kuantum dapat diabaikan. Hasil ini juga mengungkapkan sesuatu yang mengejutkan: observasi memperkenalkan sifat ireversibilitas, yang memberi waktu arah maju.
Temuan ini mendobrak ekspektasi umum bahwa peningkatan jam kuantum membutuhkan komponen kuantum yang lebih baik. Sebaliknya, para peneliti berpendapat bahwa kemajuan di masa depan bergantung pada perancangan metode pengukuran yang dapat mengumpulkan informasi secara lebih efisien.
Penulis utama Profesor Natalia Ares (Departemen Ilmu Teknik, Universitas Oxford) mengatakan: "Jam kuantum yang beroperasi pada skala terkecil diharapkan dapat menurunkan biaya energi pencatatan waktu, tetapi eksperimen baru kami mengungkapkan hal yang mengejutkan. Sebaliknya, pada jam kuantum, detak kuantum jauh melampaui detak kuantum mesin jam itu sendiri."
Menurut para peneliti, ketidakseimbangan ini justru dapat memberikan keuntungan. Energi tambahan yang digunakan selama pengukuran dapat memberikan informasi yang lebih kaya tentang perilaku jam, tidak hanya menghitung detak tetapi juga menangkap setiap fluktuasi kecil. Hal ini dapat memungkinkan pembuatan jam yang sangat presisi dan beroperasi lebih efisien.
Rekan penulis Vivek Wadhia (mahasiswa S3, Departemen Ilmu Teknik) mengatakan: "Hasil penelitian kami menunjukkan bahwa entropi yang dihasilkan oleh amplifikasi dan pengukuran detak jam, yang seringkali diabaikan dalam literatur, merupakan biaya termodinamika terpenting dan fundamental dari pencatatan waktu pada skala kuantum."
"Langkah selanjutnya adalah memahami prinsip-prinsip yang mengatur efisiensi dalam perangkat skala nano sehingga kami dapat merancang perangkat otonom yang menghitung dan mencatat waktu jauh lebih efisien, sebagaimana yang dilakukan alam."
Rekan penulis Florian Meier (mahasiswa PhD, Technische Universität Wien) mengatakan: "Lebih dari sekadar jam kuantum, penelitian ini menyentuh pertanyaan-pertanyaan mendalam dalam fisika, termasuk mengapa waktu mengalir dalam satu arah."
"Dengan menunjukkan bahwa tindakan pengukuranlah—bukan hanya detaknya itu sendiri—yang memberi waktu arah ke depan, temuan baru ini menunjukkan hubungan yang kuat antara fisika energi dan ilmu informasi."
Sumber PilihanEditor: Muhammad Taufiq
