By Kenna Hughes-Castleberry pubblicato il 01 novembre 2022
Mentre il mondo continua a cercare fonti di energia più economiche e pulite, una possibile soluzione potrebbe essere trovata nelle batterie quantistiche. A differenza delle normali batterie, esperti postulare che le batterie quantistiche avranno effetto leva aggrovigliamento per caricare più velocemente e anche eseguire meglio. Tuttavia, sviluppare queste nuove batterie sarà tutt’altro che facile, il campo elettromagnetico aggiunge complicazioni quando si cerca di immagazzinare energia. Per superare questa sfida, i ricercatori dell’Istituto coreano per le scienze di base (IBS) ha usato a maser (l’analogo a microonde di un laser) per suggerire una nuova piattaforma per le batterie quantistiche.
Sfide in un campo elettromagnetico
Nello sviluppo delle batterie quantistiche, il campo elettromagnetico diventa un problema. Precedenti ricerche hanno suggerito che mentre il campo elettromagnetico potrebbe essere utilizzato per immagazzinare energia per la batteria, esiste la possibilità che il campo possa assorbire molta più energia di quanto necessario. Essenzialmente il processo sarebbe simile a un laptop che accetta molte più modifiche di quelle previste. Poiché non esiste alcun meccanismo per fermare questo processo di ricarica, molti temono che ciò possa rallentare in modo significativo lo sviluppo delle batterie quantistiche.
Indica i Maser
Per cercare di superare questo problema, i ricercatori dell'IBS hanno collaborato con il professore associato Giuliano Benenti dell'Università dell'Insubria, Italia, per studiare la dinamica quantistica all'interno di un micromaser. Come ha spiegato Benenti: “In un micromaser, viene fatto funzionare un maser in cui singoli atomi che attraversano un risonatore (una cavità di alta qualità dove un fotone può sopravvivere per lunghi tempi) forniscono una pompa efficiente”. Invece della luce utilizzata in un laser per stimolare le interazioni quantistiche, le microonde vengono utilizzate all’interno di un maser per lo stesso effetto. All'interno di un modello maser, il flusso di fotoni interagisce con il campo elettromagnetico, facendogli immagazzinare energia. “Nell’atomo contano solo due livelli”, ha aggiunto Benenti. “Con accoppiamento risonante con la cavità (cioè la differenza di energia tra i due livelli atomici in unità della costante di Planck è uguale alla frequenza delle oscillazioni del campo elettromagnetico nella cavità). Quindi l'atomo si comporta come un qubit. Lo stesso concetto è ora trasferito allo stato solido, con qubit superconduttori accoppiati al campo elettromagnetico come guida d’onda”.
A causa della configurazione specifica, il campo elettromagnetico raggiunge a stato stazionario, dove smette di assorbire energia, consentendo un punto di arresto del materiale nel processo di carica. Questo stato stazionario fornisce inoltre ai ricercatori una metrica di ricarica da utilizzare durante lo sviluppo di un micromaser e riduce la possibilità di sovraccarico. Grazie all’unicità dello stato stazionario, i ricercatori hanno scoperto che si trovava in uno “stato puro”, in cui il micromaser non aveva alcun ricordo dei qubit utilizzati durante la ricarica. Ciò ha suggerito che l’energia immagazzinata nel campo elettromagnetico potrebbe essere estratta in qualsiasi momento, senza la necessità di tenere traccia dei qubit utilizzati nel processo.
La possibilità delle batterie quantistiche
Con una potenziale nuova piattaforma per le batterie quantistiche, i ricercatori sperano che i loro risultati possano essere utilizzati da altri per iniziare a sviluppare questa nuova tecnologia. “In particolare, la meccanica quantistica può portare a un miglioramento, rispetto alle batterie classiche, nella quantità di lavoro depositato per unità di tempo quando le batterie N vengono caricate collettivamente”, ha affermato Benenti. “Questo vantaggio quantistico è legato alla possibilità di creare stati entangled delle batterie N. Nelle tecnologie future, le batterie quantistiche potrebbero aiutare una gestione efficiente dell’energia su scala nanometrica, un punto chiave per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche”. Benenti non solo è entusiasta della nuova piattaforma, ma suggerisce anche un modo in cui può essere utilizzata dalle attuali società di calcolo quantistico. “Una possibile configurazione potrebbe essere quella utilizzata per prototipi di computer quantistici (IBMQ, Google, Rigetti…) basato su qubit superconduttori, accoppiati con una guida d’onda (modalità cavità)”, ha aggiunto. Con i progressi in questi tipi di piattaforme, le batterie quantistiche potrebbero diventare una realtà prima del previsto.
Kenna Hughes-Castleberry è una scrittrice presso Inside Quantum Technology e Science Communicator presso JILA (una partnership tra l'Università del Colorado Boulder e il NIST). I suoi ritmi di scrittura includono la tecnologia profonda, il metaverso e la tecnologia quantistica.
