By Kenna Hughes-Castleberry publié le 01 nov. 2022
Alors que le monde continue de rechercher des sources d'énergie moins chères et plus propres, une solution possible pourrait être trouvée dans les batteries quantiques. Contrairement aux piles normales, de santé postuler que les batteries quantiques tireront parti enchevêtrement pour recharger plus rapidement ainsi que de meilleurs résultats. Cependant, développer ces nouvelles batteries sera loin d'être facile, le champ électromagnétique ajoute des complications lorsqu'on essaie de stocker de l'énergie. Pour surmonter ce défi, des chercheurs de l'Institut coréen des sciences fondamentales (IBS) a utilisé un maser (l'analogue micro-ondes d'un laser) pour proposer une nouvelle plate-forme pour les batteries quantiques.
Défis dans un champ électromagnétique
Dans le développement des batteries quantiques, le champ électromagnétique devient un problème. Des recherches antérieures ont suggéré que bien que le champ électromagnétique puisse être utilisé pour stocker de l'énergie pour la batterie, il est possible que le champ puisse absorber beaucoup plus d'énergie que ce qui est nécessaire. Essentiellement, le processus serait similaire à un ordinateur portable prenant beaucoup plus de changements que prévu. Parce qu'il n'y a pas de mécanisme pour arrêter ce processus de charge, beaucoup craignent que cela ne retarde considérablement le développement des batteries quantiques.
Cue les Masers
Pour tenter de surmonter ce problème, les chercheurs de l'IBS ont collaboré avec le professeur agrégé Julien Benenti de l'Université d'Insubria, en Italie, pour étudier la dynamique quantique dans un micromaser. Comme l'a expliqué Benenti : "Dans un micromaser, un maser est utilisé dans lequel des atomes uniques traversant un résonateur (une cavité de haute qualité où un photon peut survivre pendant de longues périodes) fournissent une pompe efficace." Au lieu de la lumière utilisée dans un laser pour stimuler les interactions quantiques, des micro-ondes sont utilisées dans un maser pour le même effet. Dans un modèle maître, le flux de photons interagit avec le champ électromagnétique, l'amenant à stocker de l'énergie. "Dans l'atome, seuls deux niveaux comptent", a ajouté Benenti. «Avec un couplage résonant avec la cavité (c'est-à-dire que la différence d'énergie entre les deux niveaux atomiques en unités de la constante de Planck est égale à la fréquence des oscillations du champ électromagnétique dans la cavité). L'atome agit donc comme un qubit. Le même concept est maintenant transféré à l'état solide, avec des qubits supraconducteurs couplés au champ électromagnétique comme guide d'ondes.
En raison de la configuration spécifique, le champ électromagnétique atteint une régime permanent, où il cesse d'absorber de l'énergie, permettant un point d'arrêt matériel au processus de charge. Cet état stable donne également aux chercheurs une métrique de charge à utiliser lors du développement d'un micromaser et réduit la possibilité de surcharge. Grâce au caractère unique de l'état stable, les chercheurs ont découvert qu'il se trouvait dans un «état pur», où le micromaser n'avait aucun souvenir des qubits utilisés pendant la charge. Cela suggérait que l'énergie stockée dans le champ électromagnétique pouvait être extraite à tout moment, sans qu'il soit nécessaire de suivre les qubits utilisés dans le processus.
La possibilité des batteries quantiques
Avec une nouvelle plate-forme potentielle pour les batteries quantiques, les chercheurs espèrent que leurs résultats pourront être utilisés par d'autres pour commencer à développer cette nouvelle technologie. "Notamment, la mécanique quantique peut conduire à une amélioration, par rapport aux batteries classiques, de la quantité de travail déposée par unité de temps lorsque les batteries N sont chargées collectivement", a déclaré Benenti. « Cet avantage quantique est lié à la possibilité de créer des états intriqués des batteries N. Dans les technologies futures, les batteries quantiques pourraient contribuer à une gestion efficace de l'énergie à l'échelle nanométrique, un point clé pour le développement des technologies quantiques. Benenti est non seulement enthousiasmé par la nouvelle plate-forme, mais suggère même un moyen de l'utiliser par les sociétés d'informatique quantique actuelles. "Une configuration possible pourrait être celle utilisée pour les prototypes d'ordinateurs quantiques (IBMQ, Google, Rigetti…) basés sur des qubits supraconducteurs, couplés à un guide d'onde (mode cavité) », a-t-il ajouté. Avec les progrès de ces types de plates-formes, les batteries quantiques pourraient devenir une réalité plus tôt que prévu.
Kenna Hughes-Castleberry est rédactrice à Inside Quantum Technology et communicatrice scientifique à JILA (un partenariat entre l'Université du Colorado à Boulder et le NIST). Ses rythmes d'écriture incluent la technologie profonde, le métaverse et la technologie quantique.
