Fisika Teknologi Informasi dan Komunikasi

Fisika | Teknologi Informasi dan Komunikasi

Sparisoma Viridi*

Diterima xx Juni 2012, direvisi xx Desember 2013, diterbitkan xxDesember 2013 Abstrak

Keterkaitan antara fisika dan teknologi informasi dan komunikasi diulas singkat secara populer dalam tulisan ini, bagaimana yang pertama mendasari yang lain dan sebalik-nya yang lain menjadi inspirasi yang pertama sehingga ia menjadi lebih berkembang. Kata-kata kunci: fisika, teknologi informasi komunikasi, inspirasi.

Pendahuluan

Keterkaitan fisika dengan teknologi informasi dan komunikasi (TIK) tidak dapat disangkal, di mana fisika merupakan dasar dari perkembangan TIK dan TIK juga yang kemudian dengan perkembangannya yang pesat memberikan kembali inspirasi pada perkembangan fisika. Sebelum lebih jauh, ada baiknya dibahas terlebih dahulu arti dari kata-kata pembentuk istilah TIK. TIK terbentuk dari tiga kata, yaitu teknologi, informasi, dan komunikasi, di mana teknologi adalah penerapan sains secara praktis untuk keperlulan industri atau komersial [1], telekomunikasi adalah pertukaran informasi melampau suatu jarak berarti yang dilakukan secara elektronik [2], dan informasi adalah kumpulan fakta yang dapat digunakan untuk membuat kesimpulan [3]. Jadi apakah TIK itu? Istilah TIK menekankan pada peran komunikasi yang tersatukan dan integrasi telekomunikasi (telepon kabel ataupun nirkabel), komputer, serta komponen lain yang dibutuhkan seperti piranti lunak, piranti keras, perangkat penyimpanan, dan sistem audio-visual, yang membuat pengguna dapat mengakses, menyimpan, mengirimkan, dan memanipulasi informasi [4]. Sedangkan kata fisika sendiri berarti studi ilmiah mengenai materi, energi, ruang, dan waktu serta hubungan-hubungan di antaranya [5]. Konsep-konsep fisika yang telah umum dikenal, misalnya adalah dinamika, fluida, gelombang, listrik-magnet, osilasi, hukum kekekalan energi, optik, fisika kuantum (dalam fisika material), dan lain-lain. Judul tulisan ini adalah "Fisika | Teknologi Informasi dan Komunikasi", di mana karakter "|" dapat berarti bahwa Fisika mempengaruhi Teknologi Informasi dan Komunikasi ataupun bahwa Fisika dipengaruhi oleh Teknologi Informasi dan Komunikasi.

Fisika mendasari komunikasi dan telekomunikasi

Pengiriman informasi paling dasar yang digunakan orang adalah suara. Dengan suara orang mengirimkan informasi dari pikirannya kepada orang lain. Apa yang perlu dilakukan apabila suara yang dikirimkan kurang kuat atau tidak sampai? Suara yang merupakan gelombang mekanik tidak dapat diarahkan dengan mudah karena sifatnya yang menyebar. Bila suatu sumber bunyi memiliki daya P0, maka pada jarak r dari

( )

2 0 4 r P r I π = , (1)

dengan asumsi bahwa muka gelombang bunyi berbentuk bola. Persamaan (1) menyatakan bahwa intensitas bunyi akan berkurang sebesar 1/r2 dengan bertambahnya jarak pendengar r dari sumber bunyi. Terdapat cara sederhana untuk mengirimkan bunyi agar dapat lebih jauh tersampaikan, yaitu melalui kawat atau tali dengan menggunakan telepon kaleng, sebagaimana diilustrasikan dalam Gambar 1 berikut ini.

Gambar 1.Telepon kaleng (kiri) [6] dan cara menggunakannya (kanan) [7]. Dengan menggunakan telepon kaleng bunyi yang diucapkan diubah menjadi getaran kaleng, yang kemudian dirambatkan pada kawat/tali, yang pada akhirnya diubah kembali menjadi getaran udara sehingga dapat didengar dalam kaleng yang lain. Dapat juga dilakukan komunikasi dengan memanfaatkan peralatan elektronik, yang mengubah bunyi menjadi sinyal listrik, diperkuat dengan rangkaian amplifier, kemudian diubah lagi menjadi suara dengan intensitas yang lebih besar. Contoh aplikasi dari perangkat ini adalah megafon. Ilustrasi mengenai megafon dan komunikasi dua orang antara dua tempat yang berjauhan diberikan dalam Gambar 2.

Gambar 2.Orang sebelah kiri [8] dan sebelah kanan [9] berkomunikasi menggunakan megafon antar tempat yang cukup jauh (atas) dan salah satu contoh rangkaian elektroniknya [10] (bawah).

Dengan menggunakan rangkaian elektronik dalam Gambar 2 (bawah) nilai P0 yang

semula bersumber dari orang dapat diperkuat menjadi P0' bergantung dengan faktor

penguatan M dari rangkaian megaphone yang digunakan,

0

0' M P

P _{= × , (2)}

akan tetapi tetapi pengaruh pengurangan intensitas walaupun telah diperkuat seperti dalam Persamaan (2), tetap mengikuti Persamaan (1) sebelumnya.

Bila tempat yang dijangkau cukup jauh, dapat digunakan fenomena fisika yang lain, yaitu cahaya. Masih berupa gelombang, sehingga tetap memenuhi Persamaan (1), akan tetapi lebih mudah diarahkan dan tidak terlalu terdisipasi saat merambat di udara.

Gambar 3. Suatu sistem pertahanan antar bukit yang dilengkapi dengan menara-menara [11] (kiri), yang pada malam hari (kanan) dapat dinyalakan api sebagai sarana komunikasi.

Dengan menggunakan cahaya, api dalam hal ini (Gambar 3.), informasi dapat disampaikan dengan jarak yang lebih jauh lagi di mana bunyi dan surat akan memerlukan waktu lebih lama. Ilustrasi untuk membandingkan bunyi dan cahaya dapat teramati pada kilat dan guruh, di mana yang pertama datang lebih dahulu baru kemudian yang kedua.

Tabel 1. Beberapa sistem yang dapat mengantarkan informasi.

Sistem Kecepatan Satuan

Kuda 1.78 m/s

Merpati pos 22.2 m/s

Bunyi 340 m/s

Sinyal listrik dalam kawat ~2.00×108 m/s Cahaya / Gelombang EM, c 3.00×108 m/s

Salah satu cara yang telah umum dikenal adalah berkirim surat, yang pada jaman dulu dilakukan dengan menggunakan kendaraan untuk mengantarnya. Kuda adalah salah satu contohnya. Untuk informasi yang lebih pribadi dan rahasia jamak juga digunakan merpati pos. Ilustrasi kedua cara tersebut diberikan dalam Gambar 4.

Lama waktu yang dibutuhkan informasi (surat, perbahan bunyi, perubahan tegangan listrik, kedipan cahaya, atau lainnya) untuk dipindahkan dapat dilihat pada sistem yang digunakan dalam Tabel 1.

Bentuk informasi yang dapat dikirimkan lebih cepat dan lebih mudah dikendalikan berikutnya adalah sinyal listrik, yang awalnya diwujudkan dalam bentuk telegraf dan kemudian diikuti dengan telepon (Gambar 5). Upaya untuk meningkatkan kecepatan

pembawa informasi terus dilakukan orang, yaitu misalnya perambatan informasi tanpa kabel, yang terwujud dengan adanya telepon selular; atau tetap dengan kabel akan tetapi cahaya yang dirambatkan, yang diwujudkan dalam serat optik. Dengan kedua cara tersebut laju rambat informasi sebesar c dapat hampir tercapai.

Gambar 4. Dua buah sarana pengiriman informasi dengan bantuan hewan: Pony Express [12] (kiri) dan merpati pos [13] (kanan).

Gambar 5. Sarana komunikasi yang menggunakan perambatan sinyal listrik pada kawat: telegraf [14] (atas) dan telepon [15] (bawah).

Fisika mendasari TIK

Perkembangan TIK, yang di dalamnya terdapat komputer, tidak dapat disangkal, merupakan aplikasi dari konsep-konsep fisika yang sederhana seperti tugas dan roda gigi, lalu yang cukup rumit seperti tegangan dan arus, sampai yang cukup rumit seperti semikonduktor. Ilustrasi evolusi komputer sebagai pencatat informasi dapat dilihat dalam Gambar 6 berikut ini.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Gambar 6. Evolusi komputer: (a) mesin ketik [16], (b) mesin kasir tahun 1880-an [17], (c) komputer mekanik merek Hamman Manus R., Perusahaan DeTeWe, Jerman, 1953-1959 [18], (d) Komputer lampu tabung: Universitas Osaka,1950 [19], (e) Elliott 803B British Germanium transistor computer, 1962 [20], dan (f) integrated circuit computer + microprocessor, saat ini [21].

Komputer mekanik menyimpan informasi dalam bentuk posisi roda gigi-roda gigi, komputer lampu tabung melakukannya dengan tegangan listrik (tinggi) dalam bentuk medan listrik pada pelat, komputer transistor dengan tengangan listrik (rendah) dalam bentuk medan listrik dalam material p dan n (germanium, silikon), dan komputer IC dengan tegangan digital 0 dan 3-5 V untuk logika 0 dan 1 (dan beberapa variasi lain).

Mungkinkah hanya dengan beberapa atom atau satu atom dapat dirancang suatu gerbang logika? Atau keadaan dari elektron-elektron? Bila ya ukuran devais pencatat informasi akan semakin kecil dapat dibuat. Sayangnya apabila telah mendakati ukuran kuantum, prinsip ketidakpastian Heisenberg mengatakan bahwa keadaan kuantum tidak dapat diukur tanpa mengganggunya. Akan tetapi terdapat pelanggaran prinsip ini melalui pengukuran lemah sebagaimana dilaporkan oleh Rozema et al. (PRL 109, 100404, 2012) [22]. Sistem kuantum memiliki masalah, yaitu harus dapat stabil tanpa terganggu lingkungan (terisolasi), tetapi harus dapat diukur (tidak terisolasi), dan dapat dimanipulasi (diubah). Ketiga hal ini kontradiktif apabila dilihat dengan konsep terdahulu. Hadiah nobel fisika 2012 (Haroche dan Wineland), secara terpisah

masing-masing kelompok dalam laboratorium masing-masing-masing-masing dapat mengukur sistem kuantum tanpa mengganggunya.

Gambar 7. Ilustrasi eksperimen yang dilakukan oleh Haroche et al. [23].

Gambar 8. Hukum Moore memprediksikan pertambahan jumlah transistor dalam suatu chip sebagai fungsi tahun produksinya, atau jumlah atom (impuriti) yang terlibat [24] (inset kanan bawah).

Konsep teori mengenai bagaimana keadaan kuantum dapat dimanfaatkan untuk menyimpan informasi telah ada lama sebelum Haroche dan Wineland dapat mengungkapkannya dalam eksperimen. Bila dalam elektronika dikenal satuan informasi bits (0 atau 1), dalam sistem komputer kuantum dikenal satuan informasi qubits, di mana |0> dan |1>, superposisi keadaan kuantum (banyak keadaan). Kandidatnya, beberapa di antaranya, adalah elektron (spin down dan up), polarisasi foton (horizontal dan vertikal), dan fluks superkonduktor (CW dan CCW).

Bila kemudian kita bicara soal ukuran devais pencatat informasi ataupun jumlah transistor dalam suatu chip, tidak dapat hal ini lepas dari hukum Moore yang menyatakan bahwa “jumlah transistor dalam IC berlipat 2 kali setiap dua tahun”. Gambar 8 memberikan ilustrasi mengenai hal ini.

Suatu transistor atom tunggal berhasil diwujudkan oleh tim dari Universitas New South Wales, Australia pada tahun 2009. Dengan menggunakan sebuah scanning-tunneling microscope (STM), para ilmuwan dapat memanipulasi atom-atom hidrogen disekitar sebuah atom fosfor pada sebuah wafer silikon dalam kamar vakum, yang menghasilkan transistor atom tunggal pertama (Gambar 9 (kiri)). Purnarupa ini suatu saat akan menjadi batu-bata dari sebuah komputer kuantum. Walaupun demikian, permasalah lama tetap ada, yaitu sulitnya antarmuka antara transistor satu atom tersebut dengan rangkaian elektronik lainnya (Gambar 9 (kanan)).

Gambar 9. Citra 3-d STM transistor atom tunggal (kiri) [25] dan antarmuka devais elektronik seperti chip dengan dunia luarnya (kanan) [26].

Inspirasi balik TIK kepada bidang fisika

Dengan adanya TIK yang canggih, berbagai simulasi fisis hal-hal yang dulunya tidak dapat dibayangkan, dewasa ini dapat direalisasikan dengan menggunakan komputer dan divisualiasikan dengan senyata mungkin. Bahkan sampai interaksi antara dua riil dengan dunia dalam komputer, yang kelak pada saatnya akan memberikan inspirasi kembali bagi bidang fisika untuk menemukan inovasinya. Video-video pada TED.com seperti yang dipresentasikan oleh Pranav Mistry (2009), Matt Mills (2012), dan Blaise Agueray Arcas (2007) dapat menjadi beberapa contohnya.

Ucapan terima kasih

Penulis mengucapkan terima kasih atas Panitia SKF 2012 atas undangan sebagai pembicara dan kesabarannya dalam menunggu kompilasi naskah ini.

Referensi

[1] Collins English Dictionary, 2009, URI http://dictionary.reference.com/browse /technology [20131213].

[2] TechTarget, 2007, URI

http://searchtelecom.techtarget.com/definition/telecommunications [20131213]. [3] AudioEnglish.org, 2012, URI http://www.audioenglish.org/dictionary

/information.htm [20131213].

[4] Wikipedia contributors, "Information and Communications Technology", Wikipedia, The Free Encyclopedia, 3 December 2013, 12:17 UTC, 584354569.

[5] American Heritage Science Dictionary, 2005, URI http://dictionary.reference.com /browse/physics [20131213]. [6] URI http://heidicohen.com/wp-content/uploads/tin-can-telephone-300x225.png [20121207]. [7] URI http://www.imagesource.com/Doc/IS0/Media/TR4_WATERMARKED/5/3/4/b /IS098Z4H4.jpg [20121207]. [8] URI http://www.colourbox.com/preview/2650417-644809-3d-small-people-with-a-megaphone-in-a-hand.jpg [20121207]. [9] URI http://ec.comps.canstockphoto.com/can-stock-photo_csp4260042.jpg [20121207].

[10] "Power Megaphone Circuit", Circutis Today, 21 Jul 2008, URI http://www.circuitstoday.com/power-megaphone-circuit [20131213]. [11] URI http://media.heliohosted.com/plugins/Clipart/ClipartStock1/fire%20tower.png [20121207]. [12] URI http://www.transamericanelectricbiketour.com/wp-content/uploads/2012/06 /How-you-recruit-a-horseman.jpg [20121207]. [13] URI http://collectingtokens.files.wordpress.com/2007/08/pigeon_messengers _engraving.jpg [20121207].

[14] URI http://photo2.si.edu/infoage/teleg.gif; http://etc.usf.edu/clipart/35700/35743 /telegraph_35743_lg.gif [20121207]. [15] URI http://techtips.salon.com/DM-Resize/photos.demandstudios.com/getty /article/152/131/89696479.jpg?w=600&h=600&keep_ratio=1; http://www. nowlebanon.com/ContentPictures/Telephone-wire420-02409100917.jpg [20121207]. [16] URI http://image.shutterstock.com/display_pic_with_logo/448066/448066, 1268845093,2/stock-vector-typing-machine-vector-48912361.jpg [20121207]. [17] URI http://farm3.staticflickr.com/2484/3969044104_97c676359b_z.jpg?zz=1 [20121207]. [18] URI http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9b/De-Te-We-mp3h0651.jpg/800px-De-Te-We-mp3h0651.jpg [20121207]. [19] URI http://museum.ipsj.or.jp/computer/dawn/images/0004_02_l.jpg [20121207]. [20] URI http://archive.computerhistory.org/resources/physical-object/mullard/X278-83H.lg.jpg [20121207]. [21] URI http://extreme.pcgameshardware.de/attachments/234827d1275671466-microsoft-glaubt-die-zukunft-des-desktop-pc-s-lenovo_olympic_desktop.jpg [20121207].

[22] Lee A. Rozema, Ardavan Darabi, Dylan H. Mahler, Alex Hayat, Yasaman Soudagar, and Aephraim M. Steinberg, “Violation of Heisenberg’s

Measurement-Disturbance Relationship by Weak Measurements”, Physical Review Letters 109 (10), 100404 (2012). [23] URI http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/popular-physicsprize2012.pdf [20121207]. [24] URI http://www-users.cs.york.ac.uk/schmuel/comp/keyes.gif [20121207]. [25] URI http://asset1.cbsistatic.com/cnwk.1d/i/tim/2012/02/17/singleatom_transistor _610x305.jpg [20121207]. [26] URI http://en.wikipedia.org/wiki/File:EPROM_Microchip_SuperMacro.jpg [20121207]. Sparisoma Viridi*

Nuclear Physics and Biophysis Research Division Institut Teknologi Bandung

dudung@fi.itb.ac.id *Corresponding author