By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 01. November 2022
Da die Welt weiterhin nach billigeren und saubereren Energiequellen sucht, könnte eine mögliche Lösung in Quantenbatterien gefunden werden. Im Gegensatz zu normalen Batterien Experten postulieren, dass Quantenbatterien wirksam werden Verschränkung um schneller aufzuladen sowie eine bessere Leistung erbringen. Die Entwicklung dieser neuen Batterien wird jedoch alles andere als einfach sein, da das elektromagnetische Feld beim Versuch, Energie zu speichern, Komplikationen hinzufügt. Um diese Herausforderung zu meistern, haben Forscher des koreanischen Institute for Basic Science (IBS) verwendet a maser (das Mikrowellen-Analogon eines Lasers), um eine neue Plattform für Quantenbatterien vorzuschlagen.
Herausforderungen in einem elektromagnetischen Feld
Bei der Entwicklung von Quantenbatterien wird das elektromagnetische Feld zum Problem. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass das elektromagnetische Feld zwar zum Speichern von Energie für die Batterie verwendet werden könnte, dass aber auch die Möglichkeit besteht, dass das Feld absorbiert viel mehr Energie als was benötigt wird. Im Wesentlichen wäre der Prozess ähnlich wie bei einem Laptop, der viel mehr Wechselgeld aufnimmt, als ihm zugeteilt ist. Da es keinen Mechanismus gibt, um diesen Ladevorgang zu stoppen, befürchten viele, dass dies die Entwicklung von Quantenbatterien erheblich zurückwerfen könnte.
Cue die Maser
Um dieses Problem zu lösen, arbeiteten Forscher von IBS mit Associate Professor zusammen Giuliano Benenti der Universität Insubria, Italien, um die Quantendynamik in einem Mikromaser zu untersuchen. Benenti erklärte: „Bei einem Mikromaser wird ein Maser betrieben, bei dem einzelne Atome, die einen Resonator (einen hochwertigen Hohlraum, in dem ein Photon lange überleben kann) durchqueren, für eine effiziente Pumpe sorgen.“ Anstelle von Licht, das in einem Laser verwendet wird, um Quantenwechselwirkungen zu stimulieren, werden Mikrowellen in einem Maser für den gleichen Effekt verwendet. Innerhalb eines Masermodells ist die Strom von Photonen interagiert mit dem elektromagnetischen Feld und bewirkt, dass es Energie speichert. „Im Atom sind nur zwei Ebenen von Bedeutung“, fügte Benenti hinzu. „Mit resonanter Kopplung mit dem Hohlraum (das heißt, die Energiedifferenz zwischen den beiden Atomniveaus in Einheiten der Planck-Konstante ist gleich der Frequenz der Schwingungen des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum). Das Atom verhält sich also wie ein Qubit. Dasselbe Konzept wird nun auf den Festkörper übertragen, wobei supraleitende Qubits als Wellenleiter an das elektromagnetische Feld gekoppelt sind.“
Aufgrund des spezifischen Aufbaus erreicht das elektromagnetische Feld a Gleichgewichtszustand, wo es aufhört, Energie zu absorbieren, was einen materiellen Haltepunkt für den Ladevorgang ermöglicht. Dieser stationäre Zustand gibt den Forschern auch eine Lademetrik, die sie bei der Entwicklung eines Mikromasers verwenden können, und reduziert die Möglichkeit einer Überladung. Dank der Einzigartigkeit des stationären Zustands stellten die Forscher fest, dass er sich in einem „reinen Zustand“ befindet, in dem der Mikromaser keine Erinnerung an die Qubits hatte, die während des Ladevorgangs verwendet wurden. Dies deutet darauf hin, dass die im elektromagnetischen Feld gespeicherte Energie jederzeit extrahiert werden kann, ohne dass die dabei verwendeten Qubits nachverfolgt werden müssen.
Die Möglichkeit von Quantenbatterien
Mit einer potenziellen neuen Plattform für Quantenbatterien hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse von anderen genutzt werden können, um mit der Entwicklung dieser neuen Technologie zu beginnen. „Bemerkenswerterweise kann die Quantenmechanik im Vergleich zu klassischen Batterien zu einer Verbesserung der Menge an Arbeit führen, die pro Zeiteinheit aufgebracht wird, wenn die N-Batterien gemeinsam geladen werden“, sagte Benenti. „Dieser Quantenvorteil ist mit der Möglichkeit verbunden, verschränkte Zustände der N-Batterien zu erzeugen. In Zukunftstechnologien könnten Quantenbatterien zu einem effizienten Energiemanagement im Nanobereich beitragen, ein Schlüsselpunkt für die Entwicklung von Quantentechnologien.“ Benenti ist nicht nur von der neuen Plattform begeistert, sondern schlägt sogar vor, wie sie von aktuellen Quantencomputerunternehmen genutzt werden kann. „Ein möglicher Aufbau könnte für Quantencomputer-Prototypen verwendet werden (IBMQ, Google, Rigetti…) basierend auf supraleitenden Qubits, gekoppelt mit einem Wellenleiter (Hohlraummodus)“, fügte er hinzu. Mit Fortschritten bei diesen Arten von Plattformen könnten Quantenbatterien früher als erwartet Realität werden.
Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Ihre Beats beim Schreiben umfassen Deep Tech, Metaverse und Quantentechnologie.
