Hadiah Nobel Fisika 2025
(nobelprize.org)- John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis berhasil mewujudkan fenomena kuantum yang secara tradisional hanya mungkin di ranah mikroskopik, pada sistem yang cukup besar untuk digenggam
- Melalui rangkaian listrik superkonduktor, mereka secara langsung membuktikan terowongan kuantum makroskopik dan kuantisasi energi dalam sistem yang terdiri dari banyak partikel
- Dalam eksperimen, sistem berubah keadaan melalui fenomena tunneling, serta hanya menyerap atau melepaskan energi dalam besaran tertentu
- Penelitian ini memberikan pemahaman mendalam tentang efek kuantum yang dapat diamati pada skala makroskopik beserta makna teoretis dan eksperimentalnya
- Pencapaian ini menjadi bukti penting yang mendasari pengembangan teknologi kuantum dan perwujudan komputer kuantum
Sifat kuantum, diamati pada skala manusia
Penerima Hadiah Nobel Fisika 2025, John Clarke, Michel H. Devoret, dan John M. Martinis, melalui eksperimen membuktikan bahwa fenomena aneh dunia kuantum juga muncul pada sistem yang cukup besar untuk digenggam. Rangkaian listrik superkonduktor yang mereka buat menunjukkan fenomena tunneling antarkeadaan, seolah-olah bergerak menembus dinding. Selain itu, sesuai prediksi mekanika kuantum, rangkaian tersebut hanya menyerap atau melepaskan energi dalam besaran tertentu.
Rangkaian eksperimen yang inovatif
- Mekanika kuantum menjelaskan fenomena pada tingkat partikel individual, tetapi pada fenomena makroskopik sehari-hari efek kuantum tidak tampak
- Namun, Clarke, Devoret, dan Martinis secara eksperimental memverifikasi terowongan kuantum makroskopik pada rangkaian listrik berbahan superkonduktor, di mana banyak partikel bergerak seperti satu partikel raksasa
- Berbeda dari contoh pemanfaatan terowongan kuantum yang sudah ada seperti peluruhan inti, fenomena ini dikonfirmasi pada sistem di mana miliaran partikel melakukan gerak sinkron secara bersamaan
- Rangkaian eksperimen menggunakan dua superkonduktor dan dinding isolasi tipis yang konduktif (Josephson junction), sehingga gerak kolektif pasangan Cooper dapat digambarkan sebagai satu fungsi gelombang
Mekanika kuantum yang melampaui terowongan dan batas
- Terowongan kuantum sudah dikenal baik sebagai efek pada partikel tunggal, tetapi para penerima tahun ini membuktikan bahwa efek tersebut juga muncul secara serempak pada banyak partikel dalam skala makroskopik
- Pasangan Cooper terikat dalam keadaan kuantum yang sama, sehingga dapat dipandang sebagai satu partikel raksasa dan dideskripsikan dengan fungsi gelombang kolektif
- Josephson junction adalah komponen kunci dalam studi fenomena kuantum, yang memungkinkan eksperimen untuk meneliti interaksi fungsi gelombang dan efek kuantum makroskopik melalui lapisan isolasi tipis di antara dua superkonduktor
Tantangan eksperimental kelompok riset
- John Clarke memimpin berbagai penelitian fisika tentang superkonduktor dan Josephson junction di Berkeley
- Michel Devoret, sebagai peneliti pascadoktoral, dan John Martinis, sebagai mahasiswa doktoral, bekerja sama dengan Clarke. Bertiga, mereka berhasil memperoleh bukti eksperimental terowongan kuantum makroskopik dan melakukan pengukuran presisi
- Dalam eksperimen, arus lemah diberikan ke Josephson junction; mula-mula diamati keadaan 0 volt, lalu setelah waktu tertentu dicatat secara numerik perubahan kuantum ketika tegangan muncul melalui tunneling
- Eksperimen yang sama diulang berkali-kali untuk mengumpulkan data statistik, lalu distribusi waktu tunggu tunneling dianalisis seperti pada pengukuran waktu paruh peluruhan inti
Kuantisasi energi dan presisi eksperimental
- Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kelompok pasangan Cooper menyebabkan perubahan keadaan energi serempak seolah-olah merupakan satu partikel raksasa, sekaligus menegaskan kuantisasi energi di mana energi hanya diserap atau dilepaskan dalam besaran tertentu
- Ketika gelombang mikro disuntikkan untuk menaikkan sistem ke keadaan energi yang lebih tinggi, sistem menunjukkan pemendekan waktu tunggu tunneling, selaras dengan prediksi mekanika kuantum
Makna praktis dan teoretis
- Fenomena kuantum makroskopik yang telah dikenal sebelumnya (misalnya laser, superkonduktivitas, dan superfluida) merupakan hasil gabungan sifat kuantum individual materi. Namun eksperimen ini membuktikan bahwa kelompok besar itu sendiri berada dalam keadaan kuantum
- Eksperimen ini layak dibandingkan dengan eksperimen pikiran kucing Schrödinger, karena membuktikan bahwa kumpulan banyak partikel benar-benar mengikuti hukum mekanika kuantum
- Keadaan kuantum makroskopik menjadi fondasi pengembangan teknologi mutakhir, seperti platform eksperimental baru berupa atom buatan dan implementasi qubit pada komputer kuantum
- Secara khusus, berdasarkan capaian eksperimental ini, John Martinis juga mempublikasikan eksperimen komputer kuantum yang secara langsung mewujudkan keadaan 0 dan 1 qubit dalam rangkaian
Kesimpulan
- Hadiah Nobel Fisika 2025 dianugerahkan kepada Clarke, Devoret, dan Martinis, yang pertama kali membuktikan secara eksperimental terowongan kuantum dan kuantisasi energi dalam rangkaian listrik makroskopik
- Penelitian ini memberikan momentum bagi kemajuan eksperimental dan teoretis mekanika kuantum, sekaligus membuka wilayah teknologi baru
Informasi tambahan
- Materi latar belakang ilmiah yang lebih rinci terkait Nobel tahun ini dapat dilihat di www.kva.se dan www.nobelprize.org
- Informasi tentang press conference, kuliah, pameran, dan lainnya dapat ditemukan di www.nobelprizemuseum.se
Penerima Hadiah Nobel Fisika 2025
- John Clarke: lahir tahun 1942 di Cambridge, Inggris; meraih doktor dari University of Cambridge pada 1968; saat ini profesor di University of California, Berkeley
- Michel H. Devoret: lahir tahun 1953 di Paris, Prancis; meraih doktor dari Paris-Sud University pada 1982; saat ini profesor di Yale University/University of California, Santa Barbara
- John M. Martinis: lahir tahun 1958; meraih doktor dari University of California, Berkeley pada 1987; saat ini profesor di University of California, Santa Barbara
“Penemuan terowongan kuantum makroskopik dan kuantisasi energi dalam rangkaian listrik”
1 komentar
Komentar Hacker News
Saya belajar elektronika dari salah satu penerima Nobel.
Dalam karier fisika dan masa doktoral saya, elektronika analog adalah mata kuliah yang paling sulit sekaligus paling memuaskan.
Saya begadang di lab sambil bergulat agar filter bisa bekerja, lalu tidur beberapa jam dan kembali lagi ke lab sebelum matahari terbit.
Sebagian besar memang karena suka menunda, tapi masa itu benar-benar jadi kenangan yang indah.
Konsep yang paling tidak saya pahami waktu itu adalah sumber arus.
Sumber tegangan terasa akrab, tetapi sumber arus terasa seperti sihir.
Saya bertanya kepada Prof. Martinis, dan tampaknya beliau tidak mengerti kenapa saya tidak bisa memahaminya.
Jawabannya adalah umpan balik (
feedback control).Sumber tegangan yang baik juga membutuhkan umpan balik.
Profesor saya begitu terbiasa dengan umpan balik sampai-sampai tidak menyebut bahwa itulah inti persoalannya, sementara saya sendiri bahkan belum pernah mendengar konsep kontrol sama sekali.
Pada akhirnya saya mendaftar sebagai peneliti sarjana di lab beliau, tetapi ditolak.
Secara pribadi saya pikir itu karena saya tidak memahami konsep sumber arus, tetapi mungkin juga karena saya melamar terlambat, atau karena nilai A- saya juga kurang meyakinkan (lagi-lagi karena suka menunda).
Akhirnya saya menemui seorang peneliti biofisika, dan sejak saat itu saya menjadi biofisikawan, menempuh jalan yang sama sekali berbeda.
Kalau dipikir-pikir sekarang, saya merasa itu keberuntungan.
Saya tidak pernah menyangka biofisika akan menjadi bagian dari hidup saya.
Tentu saja, mungkin juga akan menyenangkan kalau saya masuk ke materi kuantum atau bidang QI/QC.
Sekarang saya sedang belajar memakai Mike and Ike (buku teks) dan merasa sangat tertarik.
Setelah meraih gelar doktor, saya ikut mendirikan startup kontrol industri & otomasi.
Sekarang saya sudah cukup paham soal umpan balik, dan juga sumber arus (butuh waktu lama, tapi akhirnya belajar juga).
(Sebagai catatan, penting juga untuk memahami bahwa sumber tegangan yang baik mengatur resistansi, dan sumber arus yang baik mengatur tegangan. Alasan saya merasa sumber arus lebih sulit adalah karena saya terlalu terbiasa dengan sumber tegangan (baterai). Sebenarnya saya seharusnya lebih kritis. Pada praktiknya saya juga jadi tahu bahwa sumber tegangan ideal (resistansi sangat tinggi) relatif mudah dibuat, tetapi sumber arus ideal (resistansi 0) benar-benar sulit dibuat.)
Pernyataan "sumber tegangan yang baik mengatur resistansi, dan sumber arus yang baik mengatur tegangan" terasa agak membingungkan.
Saya ingin memastikan apakah maksudnya sumber tegangan mengatur arus, dan sumber arus mengatur tegangan (mungkin tidak terlalu penting, tapi saya penasaran).
Kalau ada yang membuat sumber arus ideal dan menyetelnya ke 50mA lalu menusukkannya ke seseorang, itu terdengar cukup menyeramkan.
Menulis "cukup paham*" itu tadi salah ketik (sayang tidak bisa diedit).
Tanpa umpan balik pun, masih mungkin membuat sumber arus tetap yang tidak efisien.
Fred Ramsdell menerima Nobel Fisiologi atau Kedokteran 2025 tahun ini.
Katanya saat ini ia sedang hiking sepenuhnya "off-grid", jadi tidak bisa dihubungi.
Artikel terkait
Devoret dan Martinis juga benar-benar mendorong rekayasa kuantum ke tahap baru.
Devoret aktif di Google Quantum AI, dan Martinis di Qolab.
Teman saya juga sedang menempuh doktoral bersama Devoret, dan saya juga mengenal orang yang bekerja dengan Martinis.
Dengan Nobel kali ini, saya membayangkan keduanya akan mendapat banyak undangan kuliah tamu dan keynote, jadi saya penasaran apakah saya akan sempat melihat wajah dosen pembimbing saya lagi.
Kuliah undangan pada umumnya bisa mereka pilih sendiri, tetapi ada satu pengecualian.
Menurut aturan Nobel, pemenang wajib memberikan satu kuliah dalam waktu 6 bulan dengan topik yang dipilih oleh lembaga pemberi Nobel.
Kuliah Nobel Fisika 2024 (tentang akar jaringan saraf) juga pernah diadakan tepat sebelum upacara penganugerahan, dan bisa ditonton di kanal pendidikan penyiaran Swedia serta YouTube.
Tautan video terkait
Agak terasa aneh melihat Devoret mendapat sorotan sendiri tanpa Schoelkopf.
Saya pernah menghabiskan waktu di departemen fisika UCSB dan bertemu Prof. Martinis.
Prof. Martinis, bahkan di antara para fisikawan eksperimental, memiliki pengetahuan tentang elektronika dan instrumentasi yang jauh melebihi lulusan teknik elektro pada umumnya.
Beliau pernah membagikan rangkaian, dokumen, file CAD, dan bahan lain yang ia kembangkan dalam bentuk wiki, serta merilis perangkat lunak open-source untuk mengendalikan peralatan elektronik.
Saya bangga UCSB kembali meraih Nobel sekali lagi.
Perlu juga disebut bahwa sebagian besar riset terkait Nobel yang dimenangkan Martinis dilakukan di NIST (National Institute of Standards and Technology, di bawah Departemen Perdagangan AS).
Jika ingin memahami mengapa fenomena kuantum seperti ini dan efek kuantum makroskopik begitu penting dan menarik, saya ingin merekomendasikan “Through Two Doors at Once” karya Anil Ananthaswany.
double slit experiment)?Menyenangkan melihat University of California, Berkeley dan University of Cambridge terus menambah daftar alumni pemenang Nobel yang luar biasa.
Saya baru pertama kali mendengar Paris-Sud University, dan ini berarti mereka kini memiliki pemenang Nobel keempat dari universitas tersebut.
Lembaga pendidikan dan riset sering kali terpisah, dan banyak riset serta gelar dilakukan sebagai kolaborasi beberapa universitas/lembaga riset.
Misalnya, satu laboratorium bisa dijalankan bersama oleh 5 sekolah dan 3 lembaga riset nasional, dan seorang mahasiswa bisa sekaligus menerima gelar atas nama sekolah lain melalui program gelar bersama lintas institusi.
Karena itu, dari luar memang sulit memahami keseluruhan strukturnya.
Saya punya pertanyaan yang agak awam.
"Bola yang dilempar ke dinding selalu memantul kembali, tetapi partikel di dunia mikroskopis bisa menembus penghalang dan muncul di sisi lain. Ini disebut tunneling."
Saya penasaran apakah ini berarti partikel benar-benar melewati dinding tanpa menabraknya, melalui ruang mikroskopis, atau ada sesuatu yang lebih aneh lagi yang sebenarnya terjadi.
Pertanyaan itu sama sekali tidak bodoh.
Secara klasik, orang bisa membayangkan partikel berkelok-kelok menghindari dinding dan lewat di sela-sela.
Tetapi tunneling dalam mekanika kuantum adalah konsep yang sama sekali berbeda.
Di sini "dinding" bukan benda fisik sungguhan, melainkan penghalang energi.
Secara klasik, jika partikel tidak punya energi untuk melewati penghalang itu, ia sama sekali tidak bisa menembusnya; tetapi dalam mekanika kuantum, partikel memiliki sifat gelombang, dan amplitudo fungsi gelombangnya memang menurun saat melewati penghalang, namun tidak menjadi 0.
Akibatnya, di sisi seberang penghalang tetap ada probabilitas kecil bahwa partikel itu ada di sana, sehingga jika diukur, partikel itu memang bisa ditemukan di sisi seberang.
Hal yang hebat dari eksperimen yang menjadi latar Nobel kali ini adalah bahwa yang diukur bukan tunneling partikel tunggal seperti elektron, melainkan banyak partikel yang berbagi fungsi gelombang makroskopik dan melakukan tunneling secara bersamaan.
Mereka berada dalam keadaan koheren di mana fungsi gelombangnya terhubung melampaui penghalang, sehingga amplitudo probabilitas yang bermakna tetap ada di sisi seberang dan memungkinkan pengamatan itu sendiri.
Memang ada hal yang lebih aneh lagi.
Bayangkan satu partikel berada di keadaan energi rendah A, lalu agar bisa mencapai keadaan energi rendah lain C, ia harus melewati keadaan energi tinggi B di tengah.
Secara klasik, tanpa suplai energi dari luar, ia tidak mungkin berpindah dari A ke C, tetapi dalam kenyataannya diamati bahwa partikel bisa berpindah ke C seolah-olah berteleportasi tanpa energi tambahan.
Ini menimbulkan pertanyaan apakah partikel itu benar-benar pernah melalui B (dan pemahaman sederhananya adalah seolah-olah memang tidak melewati B).
Versi sederhananya mirip dengan konsep "penghalang potensial".
Seperti bola yang tidak bisa melewati bukit (penghalang energi) jika kecepatannya tidak cukup, dalam mekanika klasik partikel harus punya energi yang cukup untuk melampaui penghalang.
Tetapi dalam kuantum, meskipun energinya tidak cukup, fungsi gelombang menurun secara eksponensial di dalam penghalang tanpa benar-benar menjadi nol, sehingga tetap ada probabilitas partikel muncul di sisi seberang.
Dalam mekanika kuantum, "bola" (atau partikel ideal) disertai fungsi gelombang.
Jika fungsi gelombang ini dihitung, akan tersisa probabilitas bukan nol bahwa partikel berada di sisi lain dinding.
Mungkin ada penjelasan yang lebih mendalam, tetapi sejauh pemahaman saya, seperti itulah gambaran besarnya.
"Partikel tunggal" yang dimaksud di sini bukan partikel klasik seperti bola yang kita kenal, melainkan "objek kuantum" yang bergantung pada situasi dapat bertindak sebagai gelombang maupun partikel.
Ini memang konsep yang sangat misterius.
Saya juga membaca artikel New York Times pagi ini, dan saya kurang puas.
Karena itu saya datang ke HN untuk mencari informasi yang lebih baik, dan ternyata memang menemukan artikel serta penjelasan yang lebih baik, jadi saya puas.
Artikel yang diperkenalkan di sini ditulis untuk tingkat siswa SMA, tetapi dari sudut pandang saya sebagai doktor fisika yang sudah pensiun, saya tetap bisa memahami eksperimen dan teorinya dengan baik.
Setiap tahun saya selalu menantikan penemuan revolusioner apa yang akan disorot dalam Nobel Fisika.
Saya sangat antusias memikirkan bahwa saya akan terus belajar tentang perkembangan terbarunya di masa depan.