By Kenna Hughes-Castleberry közzétéve: 01. november 2022
Ahogy a világ továbbra is olcsóbb és tisztább energiaforrásokat keres, lehetséges megoldást találhatunk a kvantumelemekben. A normál akkumulátorokkal ellentétben szakértők feltételezik, hogy a kvantumelemek kihasználják összefonódás hogy gyorsabban is töltsön jobban teljesítenek. Ezeknek az új akkumulátoroknak a fejlesztése azonban korántsem lesz egyszerű, az elektromágneses mező bonyodalmakat okoz az energiatárolás során. Ennek a kihívásnak a leküzdése érdekében a Koreai Alaptudományi Intézet kutatóiIBS) használt a maser (a lézer mikrohullámú analógja), hogy új platformot javasoljanak a kvantumelemek számára.
Kihívások elektromágneses térben
A kvantumelemek fejlesztése során az elektromágneses tér problémát jelent. Korábbi kutatások azt sugallták, hogy bár az elektromágneses mező felhasználható energia tárolására az akkumulátor számára, fennáll annak a lehetősége, hogy a mező elnyelheti sokkal több energiát mint amire szükség van. Lényegében a folyamat hasonló lenne egy laptophoz, amely sokkal több változáson megy keresztül, mint amennyire rá van osztva. Mivel nincs mechanizmus a töltési folyamat megállítására, sokan attól tartanak, hogy ez jelentősen visszavetheti a kvantumelemek fejlesztését.
Kövesse a Masereket
A probléma megoldása érdekében az IBS kutatói együttműködtek egyetemi docenssel Giuliano Benenti az olaszországi Insubria Egyetem kutatója, hogy a kvantumdinamikát tanulmányozzák egy mikromázeren belül. Ahogy Benenti kifejtette: „A mikromázerben olyan masert működtetnek, amelyben a rezonátoron áthaladó egyes atomok (egy kiváló minőségű üreg, ahol a fotonok hosszú ideig fennmaradhatnak) hatékony szivattyút biztosítanak.” A lézerben a kvantumkölcsönhatások stimulálására használt fény helyett mikrohullámokat használnak a maserben ugyanazon hatás elérése érdekében. Egy maser modellen belül a fotonfolyam kölcsönhatásba lép az elektromágneses mezővel, ami energiát tárol. „Az atomban csak két szint számít” – tette hozzá Benenti. „Az üreggel való rezonáns csatolással (azaz a két atomi szint közötti energiakülönbség Planck-állandó egységeiben megegyezik az üregben lévő elektromágneses tér rezgésének frekvenciájával). Tehát az atom kubitként működik. Ugyanez a koncepció most átkerül a szilárd halmazállapotba is, és a szupravezető qubiteket az elektromágneses mezőhöz kötik hullámvezetőként.
A speciális beállítás miatt az elektromágneses tér eléri a stabil állapotban, ahol abbahagyja az energia elnyelését, lehetővé téve a töltési folyamatnak az anyag megállítását. Ez az állandósult állapot egy töltési mérőszámot is ad a kutatóknak, amelyeket a mikromaser fejlesztése során használhatnak, és csökkenti a túltöltés lehetőségét. Az állandósult állapot egyediségének köszönhetően a kutatók azt találták, hogy „tiszta állapotban” van, ahol a mikromázer nem emlékezett a töltés során használt qubitekre. Ez arra utalt, hogy az elektromágneses térben tárolt energia bármikor kinyerhető anélkül, hogy nyomon kellene követni a folyamatban használt qubiteket.
A kvantumelemek lehetősége
A kvantumelemek potenciális új platformjával a kutatók abban reménykednek, hogy eredményeiket mások is felhasználhatják az új technológia fejlesztésére. "Nevezetesen, a kvantummechanika a klasszikus akkumulátorokhoz képest növelheti az egységnyi idő alatt leadott munka mennyiségét, amikor az N akkumulátorokat együttesen töltik" - mondta Benenti. „Ez a kvantumelőny az N akkumulátor összegabalyodott állapotának létrehozásának lehetőségéhez kapcsolódik. A jövő technológiáiban a kvantumelemek segíthetik a hatékony energiagazdálkodást nanoléptékben, ami kulcsfontosságú pont a kvantumtechnológiák fejlesztésében.” A Benentit nem csak izgatja az új platform, de még azt is javasolja, hogy a jelenlegi kvantumszámítógép-cégek használhassák azt. „Egy lehetséges beállítás lehet az, amelyet kvantumszámítógép-prototípusokhoz használnak (IBMQ, Google, Rigetti…) szupravezető qubiteken alapuló, hullámvezetővel (üregmód) párosítva” – tette hozzá. Az ilyen típusú platformok fejlődésével a kvantumelemek a vártnál hamarabb valósággá válhatnak.
Kenna Hughes-Castleberry az Inside Quantum Technology és a Science Communicator munkatársa a JILA-nál (a Colorado Boulder Egyetem és a NIST partnersége). Írási ütemei közé tartozik a mélytechnológia, a metaverzum és a kvantumtechnológia.
