Mesin Cahaya Kuantum Menjembatani Termodinamika Kuantum dan Klasik

Bayangkan sebuah atom tunggal yang ditempatkan di antara dua cermin, lalu terus-menerus dipompa oleh laser. Atom itu menyerap dan memancarkan foton, sementara sebagian cahaya keluar melalui cermin yang dapat ditembus sebagian.

Pertanyaan pentingnya: apakah seluruh energi yang keluar harus dianggap sebagai panas buangan, atau sebagian masih bisa digunakan untuk melakukan kerja?

Tim fisikawan Universitas Basel yang dipimpin Patrick P. Potts, dengan melibatkan peneliti pascadoktoral Marcelo Janovitch, menjawab persoalan tersebut menggunakan kerangka input–output untuk mendeskripsikan medan cahaya. Hasil utamanya menunjukkan bahwa termodinamika kuantum dapat tersambung mulus dengan gambaran klasik atau semiklasik jika bagian keluaran yang koheren dihitung sebagai daya, bukan otomatis dimasukkan sebagai panas.

Model “mesin cahaya”

Sistem yang dikaji merupakan mesin dalam elektrodinamika kuantum rongga (cavity QED). Sebuah atom tunggal berada di dalam rongga optik yang dibatasi dua cermin. Laser memasukkan energi secara terus-menerus, kemudian cahaya dapat meninggalkan rongga melalui cermin yang hanya memantulkan sebagian cahaya.

Dengan teori input–output, para peneliti menganalisis medan yang masuk dan medan yang keluar dari rongga. Cahaya keluaran itu bukan sekadar aliran foton yang semuanya identik. Di dalamnya terdapat:

• Komponen koheren, yaitu medan yang teratur dan memiliki amplitudo serta fase yang jelas.
• Komponen fluktuatif, yaitu gangguan atau derau yang menandai hilangnya sebagian keteraturan medan.

Pemisahan ini penting karena dalam termodinamika, kerja ditentukan oleh apa yang masih dapat dilakukan terhadap energi tersebut—bukan semata-mata oleh fakta bahwa foton telah meninggalkan rongga.

Mengapa cahaya koheren dapat dihitung sebagai kerja?

Radiasi koheren pada prinsipnya dapat diarahkan ke sistem lain untuk menjalankan proses yang terkendali atau mengisi apa yang disebut baterai kuantum. Artinya, energi itu masih tersedia sebagai sumber daya yang dapat diakses, bukan energi yang sudah dibuang secara permanen.

Dalam pengertian operasional ini, bagian koheren dari cahaya keluaran diklasifikasikan sebagai kerja atau daya.

Sebaliknya, radiasi yang lebih tidak teratur dan penuh fluktuasi tidak dapat dipanen dengan cara yang sama secara reversibel dan terkendali berdasarkan fasenya. Karena itu, kerangka tersebut mengaitkan fluktuasi ini dengan panas dan memasukkannya ke dalam produksi entropi.

Namun, ini bukan berarti setiap foton memiliki label bawaan yang selalu sama—“kerja” atau “panas”. Klasifikasinya bergantung pada kondisi fisik: cahaya yang dikumpulkan dan tersedia untuk proses berikutnya diperlakukan berbeda dari cahaya yang hilang secara ireversibel. Dalam kerangka yang lebih luas, aksesibilitas terhadap derajat kebebasan keluaran menjadi bagian dari deskripsi termodinamika.

Cara kerangka ini memulihkan batas semiklasik

Dalam gambaran semiklasik, rongga digerakkan oleh medan koheren yang ditentukan dari luar. Medan tersebut memasok daya, tetapi tidak diperlakukan sebagai bak termal yang terus menghasilkan entropi hanya karena keberadaannya.

Kerangka input–output berhasil mendapatkan batas semiklasik itu dari model rongga yang sepenuhnya terkuantisasi. Ketika cahaya koheren yang keluar dihitung sebagai daya yang berguna, hasil perhitungannya mendekati prediksi klasik untuk daya keluaran, arus panas yang benar-benar bersifat disipatif dari rongga, serta produksi entropi.

Kesesuaian ini bukan sekadar soal teknis. Teori kuantum memang seharusnya kembali ke teori klasik yang tepat ketika sistem memasuki rezim semiklasik. Menurut para peneliti, korespondensi itu hanya dapat tercapai jika energi koheren yang masih bisa dimanfaatkan dibedakan dari fluktuasi yang benar-benar menyebabkan disipasi.

Masalah jika semua foton yang keluar dianggap panas

Pendekatan konvensional memasukkan seluruh aliran foton yang meninggalkan rongga ke dalam kategori panas. Cara ini dapat masuk akal bila cahaya keluaran memang dibuang. Namun, pendekatan tersebut menjadi bermasalah ketika medan cahaya semakin koheren dan tetap dapat diakses.

Dalam penskalaan menuju batas semiklasik, pembukuan konvensional terus mengaitkan produksi entropi dengan medan penggerak yang semakin koheren. Alih-alih menghilang ketika medan mendekati perilaku klasik, kontribusi tersebut dapat menjadi divergen. Akibatnya, teori kuantum standar gagal memulihkan hasil klasik untuk produksi entropi.

Kesalahan klasifikasi yang sama juga dapat mengacaukan pembagian energi antara kerja dan panas. Dalam analisis yang dilaporkan, pendekatan ini bahkan dapat menghasilkan tanda daya yang berlawanan dari prediksi semiklasik—membuat keluaran yang seharusnya menyerupai kerja mesin terlihat sebagai masukan, atau sebaliknya. Ini merupakan kegagalan pembukuan termodinamika, bukan pelanggaran terhadap kekekalan energi.

Fluktuasi cahaya yang lebih rendah dan metrologi kuantum

Kerangka tersebut juga membantu menjelaskan pentingnya koherensi dalam pengukuran presisi. Koherensi kuantum dapat menekan fluktuasi pada arus cahaya hingga berada di bawah tingkat yang diperkirakan oleh gambaran klasik Markovian.

Derau yang lebih rendah dapat meningkatkan ketepatan saat peneliti memperkirakan sinyal atau parameter dari data pengukuran yang jumlahnya terbatas. Inilah alasan cahaya kuantum yang terkendali relevan bagi metrologi kuantum, yaitu bidang yang memanfaatkan efek kuantum untuk melakukan pengukuran berpresisi tinggi.

Temuan ini berkaitan dengan relasi ketidakpastian termodinamika. Secara umum, relasi tersebut menghubungkan tingkat ketepatan suatu arus dengan nilai rata-ratanya dan produksi entropi yang dibutuhkan untuk mempertahankannya. Sistem Markovian klasik memiliki batas bawah tertentu, sementara koherensi kuantum dapat menghasilkan perilaku di luar batas klasik itu.

Meski demikian, hasil ini tidak boleh dibaca sebagai bukti bahwa setiap rezim interaksi kuat telah melanggar relasi tersebut. Perhitungan mesin cahaya ini terutama membangun kerangka termodinamika dan menunjukkan pemulihan perilaku semiklasik. Rezim yang lebih ekstrem masih menjadi pengujian lanjutan yang penting.

Mengapa kopling kuat menjadi pengujian berikutnya?

Photon blockade dan transisi fase yang digerakkan sekaligus terdissipasi (driven-dissipative phase transitions) dipandang sebagai kasus yang menjanjikan. Kopling kuat dapat menghasilkan statistik foton yang nonlinear, korelasi nonklasik, dan fluktuasi kritis. Karakteristik tersebut berpotensi memperjelas perbedaan antara batas fluktuasi kuantum dan klasik.

Keruntuhan photon blockade juga pernah diajukan sebagai contoh transisi fase kuantum terdissipasi orde pertama. Karena itu, fenomena tersebut dapat menjadi tempat yang tepat untuk menguji bagaimana relasi ketidakpastian termodinamika berperilaku di dekat perubahan tajam keadaan dinamis sistem.

Pelajaran yang lebih luas adalah bahwa termodinamika kuantum tidak selalu dapat mengklasifikasikan energi hanya dengan menghitung foton yang keluar. Teori juga perlu mempertimbangkan apakah medan itu koheren, seberapa besar derau yang dikandungnya, dan apakah keluaran tersebut masih dapat diakses sebagai sumber daya.

Dalam model rongga yang dikaji tim Basel, sudut pandang input–output inilah yang memungkinkan mesin kuantum tersebut terhubung secara konsisten dengan batas klasiknya.