By Kenna Hughes-Castleberry offentliggjort 01. november 2022
Mens verden fortsætter med at lede efter billigere og renere energikilder, kan en mulig løsning findes i kvantebatterier. I modsætning til normale batterier, eksperter postulere, at kvantebatterier vil udnytte sammenfiltring at oplade hurtigere samt præstere bedre. Det vil dog langt fra være nemt at udvikle disse nye batterier, det elektromagnetiske felt tilføjer komplikationer, når man forsøger at lagre energi. For at overvinde denne udfordring har forskere fra Koreas Institut for Grundvidenskab (IBS) brugte en maser (mikrobølgeanalogen af en laser) for at foreslå en ny platform for kvantebatterier.
Udfordringer i et elektromagnetisk felt
Ved udvikling af kvantebatterier bliver det elektromagnetiske felt et problem. Tidligere forskning har antydet, at mens det elektromagnetiske felt kunne bruges til at lagre energi til batteriet, er der en mulighed for, at feltet kan absorbere langt mere energi end hvad der er nødvendigt. Grundlæggende ville processen ligne en bærbar computer, der tager langt mere forandring, end den er beregnet til. Fordi der ikke er nogen mekanisme til at stoppe denne opladningsproces, er mange bekymrede for, at dette kan sænke udviklingen af kvantebatterier betydeligt.
Cue Masers
For at forsøge at overvinde dette problem samarbejdede forskere fra IBS med lektor Giuliano Benenti fra University of Insubria, Italien, for at studere kvantedynamik inden for en mikromaser. Som Benenti forklarede: "I en mikromaser betjenes en maser, hvor enkelte atomer, der transverserer en resonator (et hulrum af høj kvalitet, hvor en foton kan overleve i lang tid) sørger for en effektiv pumpe." I stedet for lys, der bruges i en laser til at stimulere kvanteinteraktioner, bruges mikrobølger i en maser til den samme effekt. Inden for en masermodel er strøm af fotoner interagerer med det elektromagnetiske felt, hvilket får det til at lagre energi. "I atomet betyder kun to niveauer," tilføjede Benenti. "Med resonanskobling med hulrummet (det vil sige, at energiforskellen mellem de to atomare niveauer i enheder af Planck-konstanten er lig med frekvensen af svingningerne i det elektromagnetiske felt i hulrummet). Så atomet fungerer som en qubit. Det samme koncept er nu overført til fast tilstand med superledende qubits koblet til det elektromagnetiske felt som en bølgeleder."
På grund af den specifikke opsætning når det elektromagnetiske felt en steady state, hvor den holder op med at absorbere energi, hvilket tillader et materiale, der stopper opladningsprocessen. Denne stabile tilstand giver også forskerne en opladningsmetrik, som de skal bruge, når de udvikler en mikromaser og reducerer muligheden for overopladning. Takket være det unikke ved steady state fandt forskerne, at den var i en "ren tilstand", hvor mikromaseren ikke kunne huske de qubits, der blev brugt under opladning. Dette antydede, at energien lagret i det elektromagnetiske felt kunne udvindes til enhver tid uden behov for at holde styr på de qubits, der blev brugt i processen.
Muligheden for kvantebatterier
Med en potentiel ny platform for kvantebatterier håber forskerne på, at deres resultater kan bruges af andre til at begynde at udvikle denne nye teknologi. "I særdeleshed kan kvantemekanik føre til en forbedring, i forhold til klassiske batterier, i mængden af afsat arbejde pr. tidsenhed, når N-batterierne oplades samlet," sagde Benenti. "Denne kvantefordel er forbundet med muligheden for at skabe sammenfiltrede tilstande af N-batterierne. I fremtidige teknologier kan kvantebatterier hjælpe med effektiv energistyring på nanoskala, et nøglepunkt for udviklingen af kvanteteknologier." Benenti er ikke kun begejstret for den nye platform, men foreslår endda en måde, den kan bruges af nuværende kvantecomputervirksomheder. "En mulig opsætning kunne være en, der bruges til kvantecomputerprototyper (IBMQ, Google, Rigetti…) baseret på superledende qubits, kombineret med en bølgeleder (hulrumstilstand), tilføjede han. Med fremskridt inden for disse typer platforme kan kvantebatterier blive en realitet hurtigere end forventet.
Kenna Hughes-Castleberry er medarbejderskribent hos Inside Quantum Technology og Science Communicator på JILA (et partnerskab mellem University of Colorado Boulder og NIST). Hendes skrivebeats inkluderer deep tech, metaverset og kvanteteknologi.
