Nye stabile kvantebatterier kan pålideligt lagre energi i elektromagnetiske felter

Kvantecomputere giver mulighed for at løse beregningsproblemer, der er uden for rækkevidde af klassiske computere. Som et eksempel hævdede det canadiske firma Xanadu for nylig, at dets kvantecomputer har været i stand til at løse, på kun 36 mikrosekunder, en beregningsopgave, der ville have krævet 9.000 år ved at bruge state-of-the-art supercomputere.

Men kvanteteknologier har brug for energi for at fungere. Denne enkle betragtning har fået forskere til at udvikle ideen om kvantebatterier, som er kvantemekaniske systemer, der bruges som energilagringsenheder. For nylig har forskere ved Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) inden for Institute for Basic Science (IBS), Sydkorea, været i stand til at sætte snævre begrænsninger på et kvantebatteris mulige opladningsydelse.

Konkret viste de, at en samling kvantebatterier kan føre til en enorm forbedring af ladehastigheden sammenlignet med en klassisk ladeprotokol. Dette er takket være kvanteeffekter, som gør det muligt at oplade cellerne i kvantebatterier samtidigt.

På trods af disse teoretiske resultater er de eksperimentelle erkendelser af kvantebatterier stadig knappe. Det eneste nye bemærkelsesværdige modeksempel brugte en samling af to-niveausystemer (meget lig de lige introducerede qubits) til energilagringsformål, hvor energien leveres af et elektromagnetisk felt (en laser).

I lyset af den nuværende situation er det klart af yderste vigtighed at finde nye og mere tilgængelige kvanteplatforme, som kan bruges som kvantebatterier. Med denne motivation i tankerne besluttede forskere fra det samme IBS PCS-hold, der arbejder i samarbejde med Giuliano Benenti (University of Insubria, Italien), for nylig at gense et kvantemekanisk system, som er blevet grundigt undersøgt i fortiden:mikromaseren.

Micromaser er et system, hvor en stråle af atomer bruges til at pumpe fotoner ind i et hulrum. Sagt i enkle vendinger kan en mikromaser opfattes som en konfiguration spekulær i forhold til den eksperimentelle model af kvantebatterier nævnt ovenfor:energien lagres i det elektromagnetiske felt, som oplades af en strøm af qubits, der sekventielt interagerer med det.

IBS PCS-forskerne og deres samarbejdspartner viste, at mikromasere har funktioner, der gør det muligt for dem at tjene som fremragende modeller af kvantebatterier. En af de største bekymringer, når man forsøger at bruge et elektromagnetisk felt til at lagre energi, er, at det elektromagnetiske felt i princippet kunne absorbere en enorm mængde energi, potentielt meget mere end nødvendigt. Ved at lave en analogi med en simpel sag, ville dette svare til et telefonbatteri, der, når det er tilsluttet, fortsætter med at øge sin opladning i det uendelige. I et sådant scenario kan det være ekstremt risikabelt at glemme, at telefonen er tilsluttet, da der ikke ville være nogen mekanisme til at stoppe opladningen.

Heldigvis viser holdets numeriske resultater, at dette ikke kan ske i mikromasere. Det elektromagnetiske felt når hurtigt en endelig konfiguration (teknisk kaldet en steady state), hvis energi kan bestemmes og bestemmes a priori, når mikromaseren bygges. Denne egenskab sikrer beskyttelse mod risikoen for overopladning.

Derudover viste forskerne, at den endelige konfiguration af det elektromagnetiske felt er i en ren tilstand, hvilket betyder, at det ikke bringer nogen hukommelse af de qubits, der er blevet brugt under opladningen. Denne sidstnævnte egenskab er især afgørende, når der er tale om et kvantebatteri. Det sikrer, at al den energi, der er lagret i batteriet, kan udvindes og bruges, når det er nødvendigt, uden at det er nødvendigt at holde styr på de qubits, der bruges under opladningsprocessen.

Endelig blev det vist, at disse tiltalende funktioner er robuste og ikke ødelægges ved at ændre de specifikke parametre defineret i denne undersøgelse. Denne egenskab er af klar betydning, når man forsøger at bygge et egentligt kvantebatteri, da ufuldkommenheder i byggeprocessen simpelthen er uundgåelige.

Interessant nok har Stefan Nimmrichter og hans samarbejdspartnere i en parallel serie af artikler vist, at kvanteeffekter kan gøre opladningsprocessen af ​​mikromaseren hurtigere end klassisk opladning. Med andre ord har de været i stand til at vise tilstedeværelsen af ​​den tidligere nævnte kvantefordel under opladningen af ​​et mikromaserbatteri.

Alle disse resultater tyder på, at micromaser kunne betragtes som en lovende ny platform, der kan bruges til at bygge kvantebatterier. Det faktum, at disse systemer allerede har været implementeret i eksperimentelle realiseringer i mange år, kunne give et seriøst løft i bygningen af ​​nye tilgængelige prototyper af kvantebatterier.

Til dette formål starter IBS PCS-forskerne og Giuliano Benenti i øjeblikket et fælles samarbejde med Stefan Nimmrichter og hans samarbejdspartnere for yderligere at udforske disse lovende modeller. Håbet er, at dette nye forskningssamarbejde endelig vil være i stand til at benchmarke og eksperimentelt teste ydeevnen af ​​mikromaser-baserede kvantebatterienheder.

Forskningen blev offentliggjort i Quantum Science and Technology . + Udforsk yderligere

Superabsorption låser op for nøglen til næste generations kvantebatterier