Μια νέα δυναμική πλατφόρμα για την ανάπτυξη κβαντικών μπαταριών

Καθώς ο κόσμος συνεχίζει να αναζητά φθηνότερες και καθαρότερες πηγές ενέργειας, μια πιθανή λύση μπορεί να βρεθεί στις κβαντικές μπαταρίες. Σε αντίθεση με τις κανονικές μπαταρίες, εμπειρογνώμονες Υποθέστε ότι οι κβαντικές μπαταρίες θα αξιοποιήσουν μπλέξιμο να φορτίζει πιο γρήγορα καθώς και αποδίδουν καλύτερα. Ωστόσο, η ανάπτυξη αυτών των νέων μπαταριών δεν θα είναι καθόλου εύκολη, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο προσθέτει επιπλοκές κατά την προσπάθεια αποθήκευσης ενέργειας. Για να ξεπεράσουν αυτήν την πρόκληση, ερευνητές από το Ινστιτούτο Βασικής Επιστήμης της Κορέας (IBS) χρησιμοποιείται α μασέρ (το ανάλογο μικροκυμάτων ενός λέιζερ) για να προτείνει μια νέα πλατφόρμα για κβαντικές μπαταρίες.

Προκλήσεις σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο

Κατά την ανάπτυξη κβαντικών μπαταριών, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γίνεται πρόβλημα. Προηγούμενη έρευνα είχε προτείνει ότι ενώ το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ενέργειας για την μπαταρία, υπάρχει πιθανότητα το πεδίο να απορροφήσει πολύ περισσότερη ενέργεια από αυτό που χρειάζεται. Ουσιαστικά η διαδικασία θα ήταν παρόμοια με έναν φορητό υπολογιστή που δέχεται πολύ περισσότερες αλλαγές από ό,τι προβλέπεται. Επειδή δεν υπάρχει μηχανισμός για να σταματήσει αυτή τη διαδικασία φόρτισης, πολλοί ανησυχούν ότι αυτό θα μπορούσε να καθυστερήσει σημαντικά την ανάπτυξη των κβαντικών μπαταριών.

Cue the Masers

Για να προσπαθήσουν να ξεπεράσουν αυτό το ζήτημα, ερευνητές από το IBS συνεργάστηκαν με τον Αναπληρωτή Καθηγητή Τζουλιάνο Μπενέντι του Πανεπιστημίου της Insubria, Ιταλία, για να μελετήσει την κβαντική δυναμική σε ένα μικρομέιζερ. Όπως εξήγησε ο Benenti: «Σε έναν μικρομέιζερ, λειτουργεί ένας μέιζερ στον οποίο μεμονωμένα άτομα που διασχίζουν έναν συντονιστή (μια κοιλότητα υψηλής ποιότητας όπου ένα φωτόνιο μπορεί να επιβιώσει για μεγάλο χρονικό διάστημα) παρέχουν μια αποτελεσματική αντλία». Αντί για το φως που χρησιμοποιείται σε ένα λέιζερ για την τόνωση των κβαντικών αλληλεπιδράσεων χρησιμοποιούνται μικροκύματα σε ένα μέιζερ για το ίδιο αποτέλεσμα. Μέσα σε ένα μοντέλο μέιζερ, το ρεύμα φωτονίων αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα να αποθηκεύει ενέργεια. «Στο άτομο μόνο δύο επίπεδα έχουν σημασία», πρόσθεσε ο Μπενέντι. «Με συντονιστική σύζευξη με την κοιλότητα (δηλαδή, η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο ατομικών επιπέδων σε μονάδες της σταθεράς Planck ισούται με τη συχνότητα των ταλαντώσεων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στην κοιλότητα). Έτσι το άτομο δρα σαν ένα qubit. Η ίδια ιδέα μεταφέρεται τώρα στη στερεά κατάσταση, με υπεραγώγιμα qubits συζευγμένα με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ως κυματοδηγός».

Λόγω της συγκεκριμένης διάταξης, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο φτάνει α σταθερή κατάσταση, όπου σταματά να απορροφά ενέργεια, επιτρέποντας ένα σημείο στάσης υλικού στη διαδικασία φόρτισης. Αυτή η σταθερή κατάσταση δίνει επίσης στους ερευνητές μια μέτρηση φόρτισης για χρήση κατά την ανάπτυξη ενός μικρομέιζερ και μειώνει την πιθανότητα υπερφόρτισης. Χάρη στη μοναδικότητα της σταθερής κατάστασης, οι ερευνητές βρήκαν ότι βρίσκεται σε «καθαρή κατάσταση», όπου ο μικρομέιζερ δεν είχε καμία ανάμνηση των qubits που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη φόρτιση. Αυτό υποδηλώνει ότι η ενέργεια που αποθηκεύεται στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να εξαχθεί ανά πάσα στιγμή, χωρίς την ανάγκη παρακολούθησης των qubits που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία.

Η δυνατότητα των Κβαντικών Μπαταριών

Με μια πιθανή νέα πλατφόρμα για κβαντικές μπαταρίες, οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα αποτελέσματά τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν από άλλους για να ξεκινήσουν την ανάπτυξη αυτής της νέας τεχνολογίας. «Ιδιαίτερα, η κβαντομηχανική μπορεί να οδηγήσει σε βελτίωση, σε σχέση με τις κλασικές μπαταρίες, στην ποσότητα εργασίας που κατατίθεται ανά μονάδα χρόνου όταν οι μπαταρίες Ν φορτίζονται συλλογικά», είπε ο Benenti. «Αυτό το κβαντικό πλεονέκτημα συνδέεται με τη δυνατότητα δημιουργίας μπερδεμένων καταστάσεων των μπαταριών Ν. Στις μελλοντικές τεχνολογίες, οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αποτελεσματική διαχείριση ενέργειας σε νανοκλίμακα, ένα βασικό σημείο για την ανάπτυξη των κβαντικών τεχνολογιών». Η Benenti όχι μόνο είναι ενθουσιασμένη από τη νέα πλατφόρμα, αλλά προτείνει ακόμη και έναν τρόπο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τις τρέχουσες εταιρείες κβαντικών υπολογιστών. «Μια πιθανή εγκατάσταση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για πρωτότυπα κβαντικών υπολογιστών (IBMQ, Google, Ριγκέτι…) βασίζεται σε υπεραγώγιμα qubits, σε συνδυασμό με έναν κυματοδηγό (τρόπος κοιλότητας)», πρόσθεσε. Με τις εξελίξεις σε αυτούς τους τύπους πλατφορμών, οι κβαντικές μπαταρίες μπορεί να γίνουν πραγματικότητα νωρίτερα από το αναμενόμενο.

Ο Kenna Hughes-Castleberry είναι συγγραφέας προσωπικού στο Inside Quantum Technology και Επιστήμονας Επικοινωνίας στο JILA (μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου του Κολοράντο Boulder και του NIST). Τα συγγραφικά της beats περιλαμβάνουν τη βαθιά τεχνολογία, το μετασύμπαν και την κβαντική τεχνολογία.