La plupart des batteries stockent l’énergie grâce à des processus chimiques. Les batteries quantiques, en revanche, stockent l’énergie dans les états hautement excités des systèmes quantiques. Les chercheurs ont proposé différentes manières de mettre en œuvre de telles batteries, et les progrès récents ont fait naître l’espoir qu’elles pourraient faciliter la transition vers des sources d’énergie plus durables. Cependant, ils comportent plusieurs défis, notamment trouver des moyens simples de libérer l’énergie et de maintenir le niveau correct d’énergie stockée.
Des chercheurs de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) de Corée, en collaboration avec des collègues de l'Université d'Insubria, en Italie, ont montré que les batteries quantiques basées sur des micromasers pourraient aider à surmonter certains de ces défis. Les micromasers sont constitués d'un flux d'atomes qui interagissent avec le champ électromagnétique à l'intérieur d'une cavité optique. L’énergie dans la cavité augmente au fil des interactions successives jusqu’à atteindre un certain niveau, chargeant ainsi la batterie.
Dans le nouveau travail, l’équipe IBS-Insubria a démontré que les micromasers, une fois chargés, atteignent un état presque stable, ce qui signifie que leur niveau d’énergie ne fluctue pas de manière significative sur des échelles de temps pertinentes pour le système dans le modèle de l’équipe. Ceci est important car cela permet de calculer avec précision le temps de charge de la batterie. Avec les paramètres utilisés dans cette étude, le niveau d’équilibre est atteint après environ 30 interactions et l’énergie reste stable pendant environ 1 million d’interactions supplémentaires.
État stationnaire presque pur
Un autre avantage de cet état quasi stationnaire est qu'il est approximativement pur, ce qui permet de considérer l'état de la cavité indépendamment de l'état des atomes avec lesquels elle a interagi. C’est surprenant, car après de nombreuses collisions, on pourrait s’attendre à ce que l’état de la cavité ne soit pas pur, ce qui rendrait impossible la maximisation de la quantité d’énergie extraite de la batterie sans interagir également avec tous les atomes rejetés. Cependant, l’équipe IBS-Insubria a montré que la quantité d’énergie utilisable (appelée ergotropie de la batterie) reste élevée.
La dynamique quantique du micromaser empêche également la surcharge de la batterie, explique Dario Rosa, chercheur principal à l'IBS qui a dirigé l'étude. "En principe, le système pourrait continuer à augmenter en énergie et devenir infini", explique Rosa. "Sans aucun contrôle extérieur, le micromaser, par sa propre dynamique, n'augmente pas indéfiniment son énergie." Cela facilite le chargement de la batterie et évite d'endommager le matériel en raison d'un excès d'énergie.
De plus, les nouveaux résultats, que l'équipe décrit dans la revue Science et technologie quantiques, montrent que ces caractéristiques restent vraies dans des conditions réalistes (à savoir une puissance de charge accrue et des imprécisions dans les propriétés physiques du système) pour la préparation et le fonctionnement du micromaser – rapprochant ainsi le modèle d’une batterie utile de ce qui est réalisable expérimentalement.
Avantage de superposition
Les résultats positifs concernant les micromasers sont soutenus par un étude connexe par un groupe de l'Université de Genève, Suisse. Dirigé par Stefan Nimmrichter, ce groupe a montré qu'un seul micromaser peut avoir un avantage sur les dispositifs classiques en termes de puissance de charge si les atomes arrivent à la cavité dans une superposition quantique. Auparavant, on savait seulement que la puissance de charge pouvait être améliorée par rapport aux systèmes classiques en combinant de nombreuses batteries quantiques utilisant l'intrication quantique.
La batterie quantique pourrait bénéficier de l’enchevêtrement
Rosa affirme que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre comment combiner de nombreux micromasers individuels et optimiser les performances lors de la mise à l'échelle du système. "Avec d'autres batteries, nous avons constaté que la puissance de charge s'améliore à mesure que davantage de batteries se chargent ensemble", dit-il. "Nous voulons savoir si les micromasers possèdent cette propriété."
Pour rendre le modèle plus réaliste, l’équipe s’intéresse désormais à ce qui se passe lorsque la cavité est imparfaite, c’est-à-dire qu’une certaine énergie est dissipée. Si la batterie fonctionne bien dans ces conditions, en préservant les caractéristiques déjà observées dans ces travaux, cela ouvrirait la porte à de potentielles collaborations expérimentales, notamment avec d'autres physiciens en Italie ou avec le groupe de Genève.
