Menerobos Batas Termodinamika: Masa Depan Pengukuran Waktu

Sebuah studi baru mengungkapkan bahwa akurasi efek kuantum¹ lebih baik dari yang diperkirakan. Studi ini muncul ketika peneliti dari TU Wien dan kolaboratornya memanfaatkan metrologi kuantum untuk jam atom.

Jam atom menggunakan sifat kuantum atom untuk mengukur waktu jauh lebih akurat daripada jam konvensional. Penjaga waktu paling presisi di dunia ini dikenal karena akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan menggunakan laser untuk mengukur getaran atom, yang berosilasi pada frekuensi konstan.

Namun ketika berhubungan dengan hukum dasar fisika kuantum, selalu ada ketidakpastian, sehingga sejumlah kebisingan statistik diharapkan dan harus diterima. Kebisingan atau keacakan ini memberi batas pada akurasi yang dicapai. 

Jadi, jam atom dapat menjadi lebih presisi lagi, dan jika mereka dapat mengukur getaran atom dengan lebih akurat, mereka akan cukup sensitif untuk mengidentifikasi fenomena seperti materi gelap dan membantu menjawab pertanyaan seperti pengaruh gravitasi terhadap aliran waktu.

Menariknya, diyakini bahwa agar jam atom menjadi lebih akurat, diperlukan lebih banyak energi untuk mencapai presisi tersebut. 

Pada tahun 2021, sebuah eksperimen² melaporkan batas pada akurasi jam dengan alam yang memberlakukan biaya energi fundamental untuk menjaga waktu. Menurut penelitian tersebut, jam yang mengukur waktu lebih akurat mengonsumsi lebih banyak energi dibandingkan jam yang kurang akurat. 

Dengan prinsip utama termodinamika bahwa energi selalu mengalir dari benda panas ke benda dingin, membalik aliran ini (seperti pada lemari es) berarti kita harus membayar di tempat lain.

Jadi, jam yang memerlukan setidaknya dua kali energi untuk menjadi dua kali lebih akurat tampaknya merupakan hukum yang tak dapat diubah, sampai sekarang.

Tim ilmuwan dari TU Wien, Universitas Malta, dan Chalmers University of Technology telah menunjukkan bahwa dengan menggunakan trik khusus, kita dapat meningkatkan akurasi secara eksponensial. 

Poin kunci di sini adalah menggunakan dua skala waktu yang berbeda, mirip dengan jam standar yang memiliki jarum menit dan jarum detik.

Bagaimana Fisika Kuantum Mendefinisikan Ulang Biaya Entropi Waktu

Perangkat fisik yang beroperasi di luar keseimbangan dipengaruhi oleh fluktuasi termal (penyimpangan acak sistem dari keadaan rata-ratanya), yang membatasi akurasi operasinya. Masalah ini lebih terasa pada skala yang sangat kecil dan kuantum, di mana kita memerlukan disipasi entropi untuk menguranginya.

Dalam kasus jam, aliran termodinamika menuju keseimbangan diperlukan untuk mengukur waktu, menghasilkan disipasi entropi minimum per detakan. 

Meskipun baik model klasik maupun model kuantum cenderung menunjukkan hubungan linier antara presisi dan disipasi, hubungannya masih belum begitu jelas. 

Dalam upaya mencari jam berbasis atom paling akurat, yang mungkin beralih ke tenaga nuklir di masa depan, biaya ini bukan menjadi perhatian utama, tetapi untuk kontrol kuantum kecil yang berdiri sendiri, hubungan tepat antara disipasi dan presisi berpotensi menjadi masalah praktis. 

Dengan pemikiran itu, para peneliti kini mempersembahkan model jam kuantum otonom yang telah mencapai akurasi yang meningkat secara eksponensial seiring dengan disipasi entropi. 

Pencapaian ini dimungkinkan oleh transportasi koheren dalam rantai spin dengan kopling yang disesuaikan, di mana disipasi entropi dibatasi pada satu tautan, kata studi tersebut. Hasilnya menunjukkan bahwa dinamika kuantum koheren dapat melampaui batas presisi termodinamika tradisional, berpotensi membantu pengembangan perangkat kuantum masa depan yang rendah disipasi dan sangat presisi.

“Kami telah menganalisis secara prinsip, jam apa yang secara teoretis mungkin.”

– Profesor Marcus Huber dari Atomic Institute di TU Wien

Dia menjelaskan bahwa ada dua komponen yang dibutuhkan sebuah jam. Yang pertama adalah generator berbasis waktu, seperti osilasi kuantum atau bandul. Yang kedua adalah penghitung, yaitu elemen yang menghitung satuan waktu, sebagaimana didefinisikan oleh generator dasar waktu, yang telah berlalu.

Generator dasar waktu selalu kembali ke keadaan yang persis sama, atau bandul berada tepat di tempat semula sebelum menyelesaikan satu osilasi. 

Sementara itu, pada jam atom, atom cesium kembali ke keadaan yang sama persis setelah sejumlah osilasi tertentu. Namun penghitung harus berubah agar jam menjadi berguna.

“Ini berarti setiap jam harus terhubung ke proses yang tidak dapat dibalik. Dalam bahasa termodinamika, ini berarti setiap jam meningkatkan entropi di alam semesta; jika tidak, itu bukan jam.” 

– Florian Meier dari TU Wien

Pada jam bandul, bandul menghasilkan sedikit panas dan ketidakteraturan di antara molekul udara di sekitarnya. Pada jam atom, setiap sinar laser yang membaca keadaan jam menghasilkan panas serta radiasi dan dengan demikian entropi. Menurut Marcus Huber:

“Kita sekarang dapat mempertimbangkan berapa banyak entropi yang harus dihasilkan oleh jam hipotetis dengan presisi sangat tinggi – dan, sesuai itu, berapa banyak energi yang dibutuhkan jam tersebut. Sampai kini, tampaknya ada hubungan linier: jika Anda menginginkan seribu kali presisi, Anda harus menghasilkan setidaknya seribu kali entropi dan menghabiskan seribu kali energi.”

Namun tim dari TU Wien, bekerja sama dengan peneliti dari Universitas Malta, Chalmers University of Technology, dan Austrian Academy of Sciences (ÖAW) kini telah menunjukkan bahwa aturan yang disebutkan tersebut dapat dihindari dengan menggunakan dua skala waktu yang berbeda.

Sebagai contoh, seperti yang dibagikan Meier, partikel yang bergerak dari satu area ke area lain dapat digunakan untuk mengukur waktu, mirip dengan butir pasir yang jatuh dari atas gelas ke bagian bawah.

Serangkaian perangkat pengukur waktu semacam itu dapat dihubungkan secara berurutan, dan kemudian Anda dapat menghitung berapa banyak yang telah melewati. Ini mirip dengan cara jarum jam yang lebih besar menghitung jumlah putaran yang telah diselesaikan oleh jarum jam yang lebih kecil.

“Dengan cara ini, Anda dapat meningkatkan akurasi, tetapi tidak tanpa menginvestasikan lebih banyak energi,” kata Marcus Huber. “Karena setiap kali satu jarum jam menyelesaikan satu putaran penuh dan jarum jam lainnya diukur pada lokasi baru – Anda juga dapat mengatakan setiap kali lingkungan di sekitarnya memperhatikan bahwa jarum ini telah berpindah ke lokasi baru – entropi meningkat. Proses penghitungan ini tidak dapat dibalik.”

Jenis transportasi partikel lain yang diizinkan oleh fisika kuantum adalah perjalanan melalui seluruh struktur. Di sini, partikel bergerak melintasi dial jam tanpa diukur.

Selama proses ini, partikel, dalam suatu cara, berada di mana-mana tanpa lokasi yang jelas hingga akhirnya tiba. Pada saat itulah partikel diukur, dalam proses yang tidak dapat dibalik dan meningkatkan entropi.

Jadi, tim memiliki dua proses: satu yang cepat yang tidak menghasilkan entropi atau transportasi kuantum, dan yang lainnya di mana partikel tiba di ujung akhir.

“Hal penting tentang metode kami adalah bahwa satu jarum berperilaku murni dalam kerangka fisika kuantum, dan hanya jarum yang lebih lambat yang sebenarnya menghasilkan efek entropi.”

– Yuri Minoguchi dari TU Wien

Tim telah menunjukkan bahwa strategi ini memungkinkan peningkatan signifikan dalam presisi dengan setiap peningkatan entropi, sehingga presisi yang lebih tinggi daripada yang sebelumnya dianggap mungkin dapat dicapai.

“Lebih lagi, teori ini dapat diuji di dunia nyata menggunakan sirkuit superkonduktor, salah satu teknologi kuantum paling maju yang tersedia saat ini.”

– Penulis bersama studi Simone Gasparinetti, yang memimpin tim eksperimental di Chalmers 

Huber menyebut ini sebagai hasil penting untuk penelitian pengukuran kuantum yang sangat akurat serta menekan fluktuasi yang tidak diinginkan. Lebih jauh lagi, penelitian ini, kata Huber, “membantu kita lebih memahami salah satu misteri besar fisika: hubungan antara fisika kuantum dan termodinamika.”

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana torium mendukung jam nuklir ultra-presisi.

Dampak Masa Depan Pengukuran Waktu Kuantum pada Kemanusiaan

Salah satu sumber daya paling berharga bagi manusia adalah waktu, yang terbatas dan tidak dapat dipulihkan. Waktu merupakan hal mendasar bagi keberadaan dan kemajuan kita.

Untuk melacak waktu kita, manusia mengembangkan kalender, dan kemudian seiring masyarakat menjadi lebih kompleks dan teknologi, menjadi lebih penting memiliki pengukuran waktu yang akurat.

Apa yang dibutuhkan pengukuran waktu adalah sesuatu yang berosilasi dengan detak tetap dan sesuatu yang menghitung detak tersebut serta menampilkan waktu.

Hal ini memunculkan pengembangan jam, yang semakin canggih seiring waktu dengan pendulum dan osilator kuartz.

Dari jam tangan hingga jam yang digunakan pada satelit, kebanyakan jam modern masih mengandalkan osilator kristal kuartz. Ketika tegangan diterapkan pada osilator, ia bergetar pada frekuensi tepat, yang berfungsi seperti pendulum pada jam pendulum, menandai waktu yang telah berlalu.

Namun masalahnya adalah tidak ada dua jam yang sama. Dan dengan dunia yang semakin terintegrasi, diperlukan cara yang konsisten dan akurat untuk mengukur waktu. Jam atom menjadi solusi alami.

Mimpi jam atom sebenarnya dimulai lebih dari satu abad yang lalu ketika ilmuwan James Maxwell dan William Thompson mengusulkan idenya.

Atom adalah blok bangunan dasar semua materi. Di inti atom terdapat inti yang terdiri dari proton dan neutron, dikelilingi oleh elektron yang jumlahnya dapat bervariasi. Elektron berada pada tingkat energi yang berbeda, beredar dalam orbit melingkar di sekitar inti.

Dengan atom menyerap dan memancarkan gelombang cahaya pada frekuensi tertentu, para ilmuwan berpendapat bahwa atom dari unsur tertentu identik satu sama lain dan tidak berubah, sehingga frekuensi cahaya yang mereka serap dan pancarkan juga tidak berubah.

Meskipun gagasan ini muncul pada akhir abad ke-19, baru kemudian jam atom benar-benar dikembangkan.

Seperti yang terjadi, perang sering menjadi katalis kuat untuk kemajuan ilmiah dan teknologi. Perang melahirkan penemuan seperti oven microwave, GPS, komputer, dan lain-lain, yang kini memiliki dampak mendalam pada kehidupan sehari-hari.

Jam atom juga muncul pada masa itu. Pada 1939, fisikawan Isidor Rabi mengusulkan agar ilmuwan di National Institute of Standards and Technology (NIST) (yang pada saat itu bernama National Bureau of Standards (NBS)) menggunakan teknik resonansi magnetik berkas molekul yang baru dikembangkan untuk memberikan pengukuran momen magnetik nuklir sebagai standar waktu.

Ia kemudian mengukur frekuensi di mana atom cesium secara alami menyerap dan memancarkan gelombang mikro, sekitar 9,1914 miliar siklus per detik, dan membicarakannya bertahun-tahun kemudian, yang digambarkan oleh NYT sebagai “pendulum kosmik” yang memanfaatkan “frekuensi radio di dalam inti atom.”

Jam berbasis amonia diperlihatkan pada tahun 1949, namun pada akhirnya tidak lebih akurat daripada yang sudah ada.

Seiring waktu, inovasi teknologi baru seperti pompa optik; yang menciptakan sinyal resonansi magnetik dan penyerapan gelombang mikro yang jauh lebih kuat, serta interferometri Ramsey; yang digunakan untuk spektroskopi berkas molekul, mendorong kemajuan di bidang ini dan memicu kelompok ilmiah lain untuk mempelajari hal yang sama.

Pada 1975, jam atom NIST cukup akurat sehingga tidak kehilangan atau menambah satu detik dalam 400.000 tahun, sementara pada 1993, jam atom mereka menjadi lebih akurat lagi, tidak kehilangan atau menambah satu detik dalam 6 juta tahun. 

Pada 2019, NASA mengembangkan Deep Space Atomic Clock untuk membantu navigasi pesawat luar angkasa ke lokasi jauh seperti planet lain secara lebih otonom. Jam ini akan meleset kurang dari satu nanodetik setelah empat hari dan kurang dari satu mikrodetik setelah satu dekade, yang setara dengan meleset hanya satu detik setiap 10 juta tahun.

Jam atom NASA sekitar 50 kali lebih stabil dibandingkan rekan-rekannya pada satelit GPS, dan ini dicapai dengan bantuan atom merkuri.

“Nilai energi yang tepat dan stabil” antara orbit “memang merupakan bahan utama bagi jam atom,” kata Eric Burt, seorang fisikawan jam atom di Jet Propulsion Laboratory (JPL) pada saat itu. “Itulah alasan jam atom dapat mencapai tingkat kinerja yang melampaui jam mekanik.”

Jenis pengukuran waktu yang presisi yang dihasilkan jam atom tidak diperlukan untuk kehidupan sehari-hari, namun memiliki implikasi mendalam di banyak industri lain. Jam atom sebenarnya telah mendorong kemajuan dalam metrologi, komunikasi, sistem navigasi canggih, dan penentuan posisi berbasis satelit.

Sekarang, pengetahuan yang diperoleh melalui penelitian terbaru bertujuan memicu lebih banyak kemajuan. Diharapkan akan sangat bermanfaat di berbagai sektor, termasuk kecerdasan buatan (AI), robotika, dan bidang emergen lainnya.

Sebagai contoh, dengan mendukung detektor gelombang gravitasi canggih dan satelit pemantauan iklim, jam kuantum dapat meningkatkan deteksi sinyal halus sistem Bumi. Mereka juga menyediakan referensi waktu yang lebih presisi yang dapat memungkinkan tingkat pengukuran baru untuk kenaikan permukaan laut, pergeseran tektonik, dan pemetaan bawah tanah.

Di dunia AI, model yang menggabungkan data dengan sensor terdistribusi untuk pabrik pintar, pertanian presisi, atau perdagangan keuangan dapat memanfaatkan jam atom yang akurat. Hal ini juga dapat membantu perangkat keras AI yang ditingkatkan kuantum, di mana pengukuran waktu kuantum dapat menstabilkan prosesor kuantum yang rentan terhadap kesalahan yang digunakan untuk pembelajaran mesin. Kontrol qubit yang andal, pada akhirnya, bergantung pada penentuan waktu dan koherensi fase yang presisi.

Dari kendaraan otonom hingga drone dan robot, semuanya bergantung pada navigasi GPS dan jam lokal. Jadi, jam kuantum yang sangat akurat dapat memungkinkan navigasi ‘tanpa GPS’. Mereka juga dapat membantu kawanan robot berkoordinasi lebih baik untuk tugas kompleks seperti pemetaan terdistribusi dan pencarian serta penyelamatan.

Komunikasi adalah bidang lain yang dapat sangat diuntungkan oleh jam ini dalam hal jangkauan dan stabilitas. Jaringan nirkabel dan fotonik masa depan juga akan diuntungkan karena memerlukan penentuan waktu ultra-presisi untuk komputasi tepi berlatensi rendah dan perpindahan perangkat.

Berinvestasi di Industri Pengukuran Tinggi

Honeywell International (HON ) adalah pemimpin dalam sistem pengukuran canggih, termasuk perangkat penentuan waktu yang sangat presisi, teknologi jam atom untuk dirgantara dan pertahanan, dan bahkan komputasi kuantum melalui Quantinuum, yang dibentuk oleh penggabungan Cambridge Quantum dan Honeywell. 

Perusahaan ini terutama beroperasi melalui:

Teknologi Dirgantara

• Menyediakan produk, perangkat lunak, dan layanan untuk pesawat.
• Melayani produsen peralatan, transportasi udara, dan sektor penerbangan.

Otomasi Industri

• Menyediakan solusi otomasi untuk operasi yang cerdas, berkelanjutan, dan aman.
• Menyasar industri seperti petrokimia dan ilmu hayat.

Otomasi Bangunan

• Menyediakan solusi untuk memastikan fasilitas yang aman dan berkelanjutan.

Solusi Energi dan Keberlanjutan

• Menawarkan kemampuan lisensi yang terintegrasi dengan ilmu material dan kimia.

Honeywell International (HON )

Honeywell memiliki kapitalisasi pasar sebesar $154,5 miliar dengan sahamnya saat ini diperdagangkan pada level tertinggi baru di $241, naik 6,4% YTD. Perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 8,70 dan P/E (TTM) sebesar 27,62, sementara dividen yang ditawarkan adalah 1,88%.

Untuk Q1 2025, perusahaan melaporkan penjualan sebesar $9,8 miliar dan laba per saham sebesar $2,22. Selama periode ini, Honeywell menggunakan $2,9 miliar untuk pembelian kembali saham, dividen, dan belanja modal.

“Honeywell memulai tahun dengan sangat baik, melampaui panduan di semua metrik, dipimpin oleh pertumbuhan organik yang solid. Untuk kuartal ketiga berturut-turut, kami menyampaikan pertumbuhan backlog baik secara berurutan maupun tahunan, didorong oleh tingkat pesanan yang sehat dan permintaan pelanggan yang terus berlanjut untuk penawaran diferensiasi kami.”

– CEO Vimal Kapur

Kesimpulan

Pengukuran waktu yang ditingkatkan dengan kuantum menunjukkan bahwa dengan eksperimen berkelanjutan, bahkan batas paling fundamental dalam fisika dapat dipertimbangkan kembali. Dengan penelitian terbaru, seiring pemahaman kita tentang termodinamika kuantum berkembang, kemampuan kita untuk mengukur waktu dengan presisi tinggi juga akan meningkat. 

Dengan menggabungkan arsitektur cerdas dan pengetahuan mendalam tentang entropi, peneliti menantang asumsi lama tentang biaya energi dan entropi serta membuka jalan bagi era baru sistem hiper-akurat dengan dampak luas pada teknologi, infrastruktur, ilmu pengetahuan, dan alam semesta.

Studi yang Dirujuk:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Presisi Tidak Dibatasi oleh Hukum Kedua Termodinamika. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Mengukur Biaya Termodinamika Penjagaan Waktu. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029