Memanfaatkan gejolak kuantum untuk generator bilangan acak

Bagi fisika, tidak ada ketiadaan sejati. Bahkan bila seluruh yang ada di alam semesta hilang secara mendadak, realitas tetap tersusun dari gejolak partikel maya.

Muncul dan lenyap tanpa terduga dalam waktu dan ukuran luar biasa kecil. Inilah gejolak kuantum.

Fisika klasik menganggap alam semesta diawali dari ketiadaan, tapi fisika modern tidak demikian. Ketiadaan tidak pernah ada. Dibalik setiap keberadaan, terdapat gejolak ada tiada yang terus menerus secara acak. Walau begitu, yang namanya acak, tetap dapat dijelaskan secara matematis. Anda tentu ingat yang namanya teori peluang waktu SMA. Tentang bagaimana matematika menjelaskan dadu atau poker, dibahas di teori ini. Begitu juga gejolak kuantum.

Para ilmuan dari Lembaga Fisika Cahaya Max Planck di Erlangen telah membuat sebuah alat yang bekerja berdasarkan prinsip keacakan sejati. Dengan bantuan fisika kuantum, mesin mereka membuat bilangan acak yang tidak dapat diramalkan apapun dan siapapun. Para peneliti menggunakan fakta kalau pengukuran berdasarkan fisika kuantum hanya dapat menghasilkan hasil khusus dengan derajat kemungkinan tertentu. Bilangan acak sejati diperlukan untuk enkripsi data dan memungkinkan simulasi proses ekonomi dan perubahan iklim yang lebih handal. Hasil penemuan mereka diterbitkan dalam jurnal ilmiah Nature Photonics edisi 29 agustus 2010.

Efek Casimir yang menunjukkan keberadaan vakum kuantum

Sebuah kebetulan dalam  pengertian kita sehari-hari hanyalah sebuah pertanda kekurang tahuan kita. Kalau saja kita tahu lokasi, kecepatan dan semua sifat klasik dari semua partikel di alam semesta dengan kepastian mutlak, kita akan mampu meramalkan hampir semua proses di dunia ini dari pengalaman sehari-hari. Dengan ini kita bahkan akan dapat meramalkan hasil dari sebuah puzzle atau undian. Bahkan bila mereka dirancang untuk tujuan ini, hasil yang diberikan oleh program komputer yang telah ada sekarang masih jauh dari acak. “Mereka semata mensimulasi keacakan namun dengan bantuan pengujian dan volume data yang cukup, kita akandapat menemukan polanya,” kata  Christoph Marquardt.

Ini adalah sebuah masalah. Karenanya tim peneliti yang bekerja sama dengan Gerd Leuchs dan  Christoph Marquardt di Lembaga Fisika Cahaya Max Planck dan Universitas Erlangen-Nuremberg bersama dengan Ulrik Andersen dari Universitas Teknik Denmark mengembangkan sebuah generator bilangan acak sejati.

Keacakan sejati hanya ada di dalam dunia mekanika kuantum. Sebuah partikel kuantum akan tetap berada di satu tempat dan bergerak dengan kecepatan tertentu berdasarkan kemungkinan semata. “Kita menggunakan keacakan proses mekanika kuantum ini untuk membangkitkan bilangan–bilangan  acak,” kata Christoph Marquardt.

Pola keacakan kuantum

Para ilmuan menggunakan gejolak kuantum sebagai dadu kuantum. Gejolak demikian adalah salah satu ciri dunia kuantum: Apapun selalu ada dalam gejolak kuantum. Bahkan dalam kegelapan mutlak, eneergi separuh foton tersedia dan, walaupun tetap tak terlihat; ia meninggalkan jejak yang dapat dideteksi dengan pengukuran yang cukup: jejak ini adalah bentuk derau kuantum. Derau acak mutlak ini hanya muncul saat fisikawan mengamatinya, karena, saat itulah mereka melakukan pengukuran.

Untuk membuat derau kuantum terlihat, para ilmuan mengocok kotak fisika kuantum: mereka membelah sebuah sinar laser kuat menjadi bagian-bagian yang sama memakai pembelah sinar. Pembelah sinar ini memiliki dua lubang input dan output. Para peneliti menutup lubang input kedua untuk menghindari cahaya masuk. Gejolak kuantum masih ada di sana, dan mereka mempengaruhi kedua sinar output. Para fisikawan kemudian mengarahkannya ke detektor dan mengukur intensitas aliran foton. Tiap foton menghasilkan satu elektron dan arus listrik yang dihasilkan dicatat oleh sang detektor.

Laser (datang dari kiri) dibelah oleh sebuah pembelah sinar,dan berkasnya ditangkap oleh dua detektor identik (Credit: MPI for the Physics of Light)

Saat para ilmuan mengurangi kurva pengukuran yang dihasilkan oleh kedua detektor satu sama lain, mereka tidak menemukan kehampaan. Apa yang tersisa adalah derau kuantum. “Saat pengukuran, fungsi gelombang mekanika-kuantum berubah menjadi nilai terukur,” kata Christian Gabriel, yang melakukan percobaan ini dengan generator acak bersama rekan mereka di Lembaga Max Planck di Erlangen: “Statistiknya sudah jelas namun intensitas yang diukur semata kebetulan saja.” Saat diplot pada kurva berbentuk lonceng Gaussian, nilai terlemah paling sering muncul sementara yang terkuat jarang muncul. Para peneliti membagi kurva sebaran intensitas berbentuk lonceng menjadi daerah-daerah berukuran sama dan memberi nilai pada tiap daerah.

“Bilangan acak sejati sulit dibuat namun diperlukan untuk banyak aplikasi,” kata Gerd Leuchs, direktur Lembaga Fisika cahaya Max Planck di Erlangen. Teknologi keamanan, misalnya, memerlukan kombinasi bilangan acak untuk menyandikan data bank untuk transfer. Bilangan acak dapat pula digunakan untuk mensimulasikan proses kompleks dimana hasilnya tergantung pada kebetulan. Sebagai contoh, ahli ekonomi menggunakan simulasi Monte Carlo untuk meramalkan permkembangan pasar dan ahli meteorologi menggunakannya untuk memodelkan perubahan cuaca dan iklim.

Ada alasan yan kuat kenapa para fisikawan Erlangen mencoba menghasilkan bilangan acak lewat gejolak vakum kuantum yang rumit ketimbang proses kuantum lainnya. Saat para fisikawan mengamati persebaran kecepatan elektron atau derau kuantum sebuah laser misalkan, derau kuantum acak biasanya bertindihan dengan derau klasik, yang tidak acak. “Bila kita ingin mengukur derau kuantum berkas laser, kita juga mengamati derau klasik yang berasal dari, katakanlah, cermin pengocok,” kata Christoffer Wittmann salah seorang peneliti. Pada prinsipnya, getaran cermin dapat dihitung sebagai proses fisika klasik dan karenanya merusak permainan acak kita.

“Dapat diakui, kita juga mendapat sejumlah derau klasik dari elektronika alat ukur,” kata Wolfgang Mauerer yang mempelajari aspek eksperimen ini. “Namun sekarang kita tahu sistem kita sangat baik dan dapat menghitung derau ini dengan sangat teliti dan membuangnya.” Menurut Christoph Marquardt, “gejolak kuantum memberikan bilangan acak yang unik. Dengan proses kuantum, bukti ini lebih sulit didapatkan dan bahaya akan muncul bila seorang mata-mata data memperoleh salinan bilangan tersebut. Hal inilah yang ingin kita hindari saat memakai bilangan acak untuk kunci data,” kata Marquardt.

Walaupun dadu kuantum berdasarkan fenomena misterius dari dunia kuantum yang sepenuhnya bertentangan dengan nalar kita, para fisikawan tidak memerlukan alat yang super canggih untuk mengamatinya. Komponen teknis dari peralatan generator bilangan acak mereka dapat ditemukan di laboratorium laser pada umumnya. “Kita tidak perlu laser yang bagus atau detektor mahal untuk setup,” kata Christian Gabriel. Hal ini, tidak diragukan lagi merupakan salah satu alasan mengapa banyak perusahaan mulai tertarik mendapatkan teknologi ini untuk penggunaan komersial.

Sumber:

http://www.faktailmiah.com/2010/09/11/memanfaatkan-gejolak-kuantum-untuk-generator-bilangan-acak.html