Fisikawan Menemukan Cara untuk Memecahkan Misteri Kuantum Tanpa Superkomputer

Peneliti di Universitas di Buffalo telah mengembangkan metode pemodelan kuantum yang kuat namun terjangkau yang dikenal sebagai pendekatan Wigner terpotong.

Versi yang ditingkatkan sekarang dapat memecahkan masalah kuantum dunia nyata yang kompleks pada laptop biasa. Terobosan ini dapat membuat simulasi kuantum tingkat tinggi menjadi lebih cepat, lebih murah, dan dapat diakses secara luas oleh para ilmuwan di mana pun.

Kompleksitas Kuantum dalam Jangkauan

Bayangkan mengintip jauh ke dalam materi pada tingkat kuantum, di mana partikel-partikel kecil yang tak terbayangkan dapat berinteraksi dengan lebih dari satu triliun cara berbeda sekaligus.

Kompleksitas seperti itu sungguh mencengangkan. Untuk memahaminya, fisikawan sering kali bergantung pada superkomputer yang kuat atau kecerdasan buatan untuk mensimulasikan bagaimana sistem kuantum ini berperilaku dan berkembang.

Namun bagaimana jika banyak dari simulasi ini dapat dilakukan dengan menggunakan laptop biasa?

Para ilmuwan telah lama menduga hal ini mungkin terjadi secara teori, namun mewujudkan gagasan tersebut menjadi sesuatu yang praktis membutuhkan waktu lebih lama.

Menyederhanakan Kekacauan Kuantum

Para peneliti di Universitas Buffalo kini telah mencapai tujuan ini. Mereka memperluas teknik komputasi hemat biaya yang dikenal sebagai pendekatan Wigner terpotong (TWA) – yang pada dasarnya merupakan jalan pintas fisika yang menyederhanakan matematika kuantum – sehingga dapat digunakan untuk mengatasi masalah kompleks yang sebelumnya dianggap memerlukan daya komputasi yang sangat besar.

Yang sama pentingnya adalah versi baru TWA mereka, yang dijelaskan dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada bulan September di Kuantum PRX (jurnal American Physical Society), memperkenalkan kerangka kerja yang jelas dan dapat diakses yang memungkinkan peneliti memasukkan data mereka dan menghasilkan hasil yang dapat diandalkan hanya dalam beberapa jam.

Membuat Alat Quantum Dapat Diakses

“Pendekatan kami menawarkan biaya komputasi yang jauh lebih rendah dan formulasi persamaan dinamis yang lebih sederhana,” kata penulis studi tersebut, Jamir Marino, PhD, asisten profesor fisika di Fakultas Seni dan Sains UB. “Kami pikir metode ini, dalam waktu dekat, dapat menjadi alat utama untuk mengeksplorasi dinamika kuantum semacam ini pada komputer tingkat konsumen.”

Marino yang bergabung dengan UB pada musim gugur ini, melakukan penelitian selama berada di Johannes Gutenberg University Mainz di Jerman. Rekan penulis penelitian ini termasuk dua mahasiswanya di sana, Hossein Hosseinabadi dan Oksana Chelpanova, yang terakhir sekarang menjadi peneliti pascadoktoral di laboratorium Marino di UB.

Pekerjaan ini didukung oleh National Science Foundation, German Research Foundation dan Uni Eropa.

Memperluas Perbatasan Kuantum

Tidak semua sistem kuantum dapat diselesaikan dengan tepat. Melakukan hal ini akan menjadi tidak praktis, karena daya komputasi yang dibutuhkan akan tumbuh secara eksponensial seiring dengan semakin kompleksnya sistem.

Sebaliknya, fisikawan sering beralih ke apa yang dikenal sebagai fisika semiklasik – pendekatan jalan tengah yang menjaga perilaku kuantum agar tetap akurat, sambil membuang detail yang memiliki pengaruh kecil pada hasilnya.

Kekuatan Fisika Semiklasik

TWA adalah salah satu pendekatan semiklasik yang sudah ada sejak tahun 1970an, namun terbatas pada sistem kuantum ideal yang terisolasi dimana tidak ada energi yang diperoleh atau hilang.

Jadi tim Marino memperluas TWA ke sistem yang lebih berantakan yang ditemukan di dunia nyata, di mana partikel terus-menerus didorong dan ditarik oleh kekuatan luar dan melepaskan energi ke lingkungannya, atau dikenal sebagai dinamika putaran disipatif.

“Banyak kelompok telah mencoba melakukan hal ini sebelum kita. Diketahui bahwa sistem kuantum tertentu yang rumit dapat diselesaikan secara efisien dengan pendekatan semiklasik,” kata Marino. “Namun, tantangan sebenarnya adalah membuatnya dapat diakses dan dilakukan.”

Mengubah Kompleksitas Menjadi Kejelasan

Di masa lalu, para peneliti yang ingin menggunakan TWA menghadapi hambatan yang rumit. Mereka harus menurunkan kembali matematika dari awal setiap kali mereka menerapkan metode tersebut pada masalah kuantum baru.

Jadi, tim Marino mengubah halaman-halaman matematika yang padat dan hampir tidak dapat ditembus menjadi tabel konversi langsung yang menerjemahkan masalah kuantum menjadi persamaan yang dapat dipecahkan.

“Fisikawan pada dasarnya dapat mempelajari metode ini dalam satu hari, dan sekitar hari ketiga, mereka menyelesaikan beberapa masalah paling kompleks yang kami hadirkan dalam penelitian ini,” kata Chelpanova.

Membebaskan Superkomputer untuk Hal-Hal Sulit

Harapannya adalah metode baru ini akan menyelamatkan cluster superkomputer dan model AI untuk sistem kuantum yang benar-benar rumit. Ini adalah sistem yang tidak dapat diselesaikan dengan pendekatan semiklasik. Sistem yang tidak hanya memiliki satu triliun kemungkinan keadaan, namun lebih banyak keadaan daripada jumlah atom di alam semesta.

“Banyak hal yang tampak rumit sebenarnya tidak rumit,” kata Marino. “Fisikawan dapat menggunakan sumber daya superkomputer pada sistem yang memerlukan pendekatan kuantum lengkap dan menyelesaikan sisanya dengan cepat menggunakan pendekatan kami.”

Referensi: “Pendekatan Wigner Terpotong yang Ramah Pengguna untuk Dinamika Putaran Disipatif” oleh Hossein Hosseinabadi, Oksana Chelpanova, dan Jamir Marino, 8 September 2025, Kuantum PRX.
DOI: 10.1103/1wwv-k7hg

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin SciTechDaily.
Ikuti kami di Google, Discover, dan Berita.