Entanglement kuantum memungkinkan partikel tetap terhubung meskipun terpisah oleh jarak yang sangat jauh. Hubungan aneh ini sangat penting dalam pembangunan komputer kuantum dan pengamanan komunikasi kuantum. Namun, fenomena ini juga sangat rapuh. Entanglement dapat dengan mudah terputus oleh gangguan sekecil apapun dari lingkungan sekitarnya.

Selama bertahun-tahun, para insinyur telah berjuang melawan kelemahan ini. Sebagian besar perangkat kuantum bergantung pada metode koreksi kesalahan yang melindungi partikel yang terentang dari kebisingan eksternal. Sistem-sistem ini rumit, memerlukan banyak qubit tambahan dan operasi yang sangat tepat untuk memperbaiki gangguan yang terjadi.

Pandangan Baru tentang Kebisingan Kuantum

Sebuah strategi lain, yang dikenal sebagai mitigasi kesalahan kuantum, menghindari koreksi langsung. Sebagai gantinya, pendekatan ini memproses data setelah perhitungan untuk memperhitungkan kebisingan. Metode ini lebih layak diterapkan pada mesin kuantum awal saat ini. Namun, efektivitasnya hanya berjalan baik jika jenis kebisingan yang tepat sudah diketahui, yang merupakan permintaan yang sulit ketika berhadapan dengan sistem yang tidak stabil.

Tetapi kini, sebuah studi baru membalikkan masalah ini. Para peneliti menunjukkan bahwa kebisingan, jika ditangani dengan hati-hati, tidak selalu menjadi musuh. Malahan, dalam situasi tertentu, kebisingan dapat membantu memperkuat entanglement. Wawasan ini menantang keyakinan lama dalam bidang ini.

Hasil yang tak terduga ini berasal dari penelitian tentang bagaimana kebisingan berinteraksi dengan sistem kuantum yang terhubung. Penelitian menunjukkan bahwa ketika dua rantai kuantum saling terhubung, kebisingan yang ditambahkan hanya pada satu dari mereka dapat meningkatkan entanglement yang mereka bagi. "Alih-alih menghancurkan entanglement, kebisingan bisa menyuplai entanglement itu," jelas para penulis.

Studi yang diterbitkan dalam Physical Review B ini memodelkan dua rantai partikel kuantum yang disebut fermion. Satu rantai bertindak sebagai sistem utama, mirip dengan perangkat kuantum yang berfungsi. Rantai lainnya, yang disebut ancilla, adalah rantai sekunder yang terpapar pada kebisingan acak.

Secara mengejutkan, kebisingan yang diterapkan hanya pada ancilla terkadang meningkatkan entanglement antara kedua rantai. Efek ini bergantung pada cara sistem saling terhubung dan bagaimana kebisingan mengalir melalui mereka. Dalam kondisi yang tepat, interferensi tersebut justru mendukung korelasi kuantum daripada merusaknya.

Bagaimana Sistem yang Terhubung Mempengaruhi Perilaku Kompleks

Temuan ini tidak membuat koreksi kesalahan tradisional menjadi usang. Namun, ini membuka arah baru—merancang sistem yang menggunakan kebisingan alih-alih hanya melawannya. Hal ini dapat membuat teknologi kuantum di masa depan lebih efisien, terutama ketika sumber daya terbatas dan presisi sulit dicapai.

Para peneliti mensimulasikan bagaimana kebisingan memengaruhi entanglement di antara rantai ini dengan memvariasikan dinamika internal ancilla dan kekuatan interaksi antara kedua rantai. Menariknya, ketika tingkat kebisingan di dalam ancilla meningkat, entanglement sistem justru membaik—bertentangan dengan ekspektasi bahwa kebisingan hanya akan menyebabkan decoherence.

Efek ini paling jelas ketika gerakan internal ancilla cepat, yang berarti partikel-partikelnya bergerak dan berinteraksi dengan cepat. Dalam kondisi ini, kebisingan di dalam ancilla bertindak sebagai semacam kekuatan stabilisasi, mencegah sistem mengalami kebisingan destruktifnya sendiri.

Para peneliti mengaitkan efek ini dengan prinsip yang dikenal sebagai "monogami entanglement." Aturan ini menentukan bahwa partikel kuantum hanya dapat berbagi sejumlah terbatas dari entanglement dengan partikel lain. Dalam kehadiran dinamika ancilla yang cepat, sebagian besar entanglement awalnya terkonsentrasi di dalam ancilla itu sendiri. Namun, ketika kebisingan mengganggu pengaturan ini, entanglement didistribusikan kembali, menyebar ke dalam sistem dan memperkuat koneksi kuantumnya.

Faktor kunci lainnya adalah munculnya kebisingan non-Markovian—gangguan terkoordinasi yang mempertahankan memori seiring waktu. Berbeda dengan kebisingan acak, yang cenderung merusak entanglement, kebisingan non-Markovian dapat memberikan efek stabilisasi. Temuan ini sejalan dengan penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa pola kebisingan tertentu yang terkoordinasi dapat benar-benar meningkatkan koherensi kuantum alih-alih menghancurkannya.

Pemodelan fermion yang diteliti menunjukkan bahwa bola hijau (bola oranye) mewakili rantai dalam (luar) fermion, masing-masing mewakili sistem dan ancilla.

Simulasi numerik ekstensif mengonfirmasi bahwa efek ini berlaku pada berbagai ukuran sistem dan parameter kebisingan. Namun, keberhasilannya tergantung pada laju interaksi ancilla. Jika dinamika ancilla terlalu lambat, kebisingan tetap mengganggu, melemahkan entanglement alih-alih memperkuatnya.

Implikasi untuk Teknologi Kuantum

Penemuan ini dapat mengubah pendekatan terhadap manajemen kesalahan kuantum. Alih-alih hanya bergantung pada teknik koreksi kesalahan yang kompleks, perangkat kuantum di masa depan mungkin memanfaatkan kebisingan secara strategis untuk menjaga entanglement.

Komputasi kuantum, khususnya, dapat mengambil manfaat dari fenomena ini. Prosesor kuantum saat ini kesulitan dalam mempertahankan entanglement karena kehadiran kebisingan yang tak terhindarkan. Jika arsitektur di masa depan mengadopsi kontrol kebisingan berbasis ancilla, mereka mungkin mencapai stabilitas yang lebih besar dengan lebih sedikit qubit.

Jaringan komunikasi kuantum, yang bergantung pada entanglement untuk mentransmisikan informasi yang aman, juga dapat mengadopsi strategi ini. Dengan memperkenalkan kebisingan terkontrol ke dalam sistem tambahan, para peneliti mungkin dapat meningkatkan keandalan protokol komunikasi berbasis entanglement.

Namun, beberapa tantangan tetap ada. Model studi ini sangat disederhanakan, dan sistem kuantum dunia nyata memperkenalkan kompleksitas tambahan, seperti interaksi antar partikel yang dapat mengubah efek penguatan kebisingan. Penelitian di masa depan harus menentukan apakah fenomena ini dapat direplikasi dalam perangkat kuantum praktis.

Selanjutnya, mengoptimalkan ukuran sistem ancilla akan menjadi hal yang krusial. Ancilla yang lebih kecil akan lebih praktis untuk diimplementasikan, tetapi mungkin tidak memberikan efek stabilisasi yang sama seperti yang diamati dalam studi ini. Peneliti juga perlu menyelidiki apakah teknik ini dapat diskalakan dengan efisien dalam jaringan kuantum yang lebih besar.

Sementara kebisingan telah lama dianggap sebagai hambatan fundamental dalam mekanika kuantum, studi ini menunjukkan bahwa kebisingan juga dapat berfungsi sebagai alat yang berharga. Dengan memanfaatkan interaksi antara kebisingan dan entanglement, para ilmuwan mungkin menemukan cara baru untuk membangun teknologi kuantum yang kuat.

Temuan ini memberikan perspektif baru tentang bagaimana informasi kuantum dapat dilestarikan, berpotensi mengurangi beban yang diperlukan untuk koreksi kesalahan.

Jika eksperimen lebih lanjut mengonfirmasi hasil ini dalam kondisi dunia nyata, kebisingan bisa beralih dari menjadi musuh terburuk komputasi kuantum menjadi sekutu yang tak terduga.