Kristal Masa: Fasa Jirim Baharu yang Melanggar Hukum Fizik dan Mencabar Kefahaman Termodinamik

Kristal Masa: Fasa Jirim Baharu yang Melanggar Hukum Fizik dan Mencabar Kefahaman Termodinamik. Kristal masa merupakan fasa jirim eksotik yang berayun secara berkala tanpa memerlukan input tenaga luaran, sekaligus melanggar simetri translasi masa yang selama ini dianggap mutlak. Kajian terbaru oleh pasukan penyelidik dari Google Quantum AI dan Universiti Princeton berjaya mencipta dan memerhati kristal masa yang stabil menggunakan pemproses kuantum Sycamore. Penemuan ini bukan sahaja mengesahkan kewujudan fasa jirim baharu, malah membuka peluang revolusioner dalam bidang jam atom, penderia kuantum, dan pemprosesan maklumat kuantum yang lebih cekap.. Pengenalan: Apakah Kristal Masa? Dalam fizik jirim pekat, simetri translasi masa merupakan salah satu prinsip asas yang menyatakan bahawa sifat fizik sesuatu sistem adalah sama pada setiap masa. Namun, pada tahun 2012, ahli fizik teori Frank Wilczek mencadangkan kewujudan fasa jirim yang melanggar prinsip ini – iaitu kristal masa. Berbeza dengan kristal biasa yang mempunyai susunan atom berulang dalam ruang, kristal masa mempunyai susunan yang berulang dalam masa. Ini bermakna, tanpa sebarang rangsangan luaran, atom-atom dalam kristal masa akan berayun secara berkala selama-lamanya. Konsep ini pada mulanya dianggap mustahil kerana ia seolah-olah melanggar hukum termodinamik kedua yang menyatakan bahawa entropi sistem tertutup tidak boleh berkurang. Namun, kajian terkini membuktikan bahawa kristal masa boleh wujud dalam sistem kuantum yang tidak berada dalam keseimbangan termodinamik. Penemuan Terbaru oleh Google Quantum AI dan Universiti Princeton Pada tahun 2021, satu pasukan penyelidik yang diketuai oleh Dr. Xiao Mi dari Google Quantum AI dan Prof. Shivaji Sondhi dari Universiti Princeton berjaya mencipta kristal masa menggunakan pemproses kuantum Sycamore yang terkenal dengan kejayaan mencapai kesupremasi kuantum. Kajian mereka yang diterbitkan dalam jurnal Nature pada tahun 2022 DOI: 10.1038/s41586-021-04257-w menunjukkan bahawa dengan menyusun 20 qubit dalam corak tertentu dan menggunakan denyutan laser yang tepat, mereka dapat memerhati ayunan berkala yang berterusan selama lebih 100 kitaran. Ayunan ini tidak mereput walaupun sistem terdedah kepada gangguan persekitaran, menandakan kewujudan fasa kristal masa yang stabil. Penemuan ini merupakan bukti eksperimen pertama yang kukuh untuk kewujudan kristal masa dalam sistem kuantum berskala besar. Bagaimana Kristal Masa Berfungsi? Kristal masa beroperasi berdasarkan prinsip pemanasan terkawal many-body localization yang menghalang sistem daripada mencapai keseimbangan terma. Dalam sistem biasa, interaksi antara zarah akan menyebabkan tenaga tersebar dan sistem mencapai keseimbangan terma, lalu ayunan akan reda. Namun, dalam kristal masa, qubit disusun dengan gangguan rawak yang kuat, menyebabkan zarah-zarah terperangkap dalam keadaan tidak seimbang. Apabila denyutan laser digunakan secara berkala, qubit-qubit ini bertindak balas dengan menghasilkan ayunan pada frekuensi yang separuh daripada frekuensi denyutan – satu fenomena yang dikenali sebagai subharmonik. Ayunan ini stabil kerana sistem tidak dapat mencapai keseimbangan terma akibat sifat lokalasi yang kuat. Dengan kata lain, kristal masa adalah contoh sistem kuantum yang mengekalkan koherensi masa yang panjang tanpa input tenaga berterusan. Implikasi dan Masa Depan Penemuan kristal masa bukan sekadar kejayaan teori; ia mempunyai implikasi praktikal yang besar. Pertama, kristal masa boleh digunakan sebagai jam atom yang sangat tepat kerana ayunannya yang stabil dan tidak terjejas oleh gangguan luaran. Kedua, ia boleh menjadi asas kepada penderia kuantum yang mampu mengesan perubahan medan magnet atau graviti dengan kepekaan yang luar biasa. Ketiga, dalam bidang pemprosesan maklumat kuantum, kristal masa boleh berfungsi sebagai memori kuantum yang menyimpan maklumat untuk tempoh yang lebih lama tanpa kehilangan koherensi. Walau bagaimanapun, cabaran utama masih wujud, terutamanya dalam mengekalkan kestabilan kristal masa pada suhu yang lebih tinggi dan dalam sistem yang lebih besar. Kajian lanjut diperlukan untuk memahami had asas fasa ini dan cara mengintegrasikannya ke dalam teknologi praktikal. Kesimpulan Kristal masa telah membuktikan bahawa alam semesta masih menyimpan banyak kejutan yang mencabar pemahaman kita tentang fizik asas. Penemuan oleh Google Quantum AI dan Universiti Princeton ini bukan sahaja mengesahkan ramalan teori yang berusia sedekad, malah membuka lembaran baharu dalam sains bahan kuantum. Dengan potensi aplikasi yang luas, kristal masa mungkin menjadi salah satu teknologi terobosan abad ke-21 yang mengubah cara kita mengukur masa, mengesan isyarat, dan memproses maklumat. Bagi para saintis, ia adalah peringatan bahawa hukum fizik yang kita anggap kukuh mungkin hanya sebahagian daripada gambaran yang lebih besar dan lebih aneh.