By Kenna Hughes-Castleberry geplaatst op 01 nov 2022
Terwijl de wereld blijft zoeken naar goedkopere en schonere energiebronnen, kan een mogelijke oplossing gevonden worden in kwantumbatterijen. In tegenstelling tot normale batterijen, deskundigen postuleren dat kwantumbatterijen hiervan zullen profiteren verstrikking om sneller op te laden beter presteren. Het ontwikkelen van deze nieuwe batterijen zal echter verre van eenvoudig zijn; het elektromagnetische veld zorgt voor complicaties bij het opslaan van energie. Om deze uitdaging te overwinnen, hebben onderzoekers van het Koreaanse Institute for Basic Science (IBS) gebruikte een maser (de microgolfanaloog van een laser) om een nieuw platform voor kwantumbatterijen voor te stellen.
Uitdagingen in een elektromagnetisch veld
Bij de ontwikkeling van kwantumbatterijen wordt het elektromagnetische veld een probleem. Eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat hoewel het elektromagnetische veld zou kunnen worden gebruikt om energie voor de batterij op te slaan, er een mogelijkheid bestaat dat het veld energie zou kunnen absorberen. veel meer energie dan wat nodig is. In wezen zou het proces vergelijkbaar zijn met het feit dat een laptop veel meer verandering op zich neemt dan waarvoor hij is bestemd. Omdat er geen mechanisme is om dit oplaadproces te stoppen, zijn velen bang dat dit de ontwikkeling van kwantumbatterijen aanzienlijk zou kunnen vertragen.
Cue de Masers
Om dit probleem te verhelpen, werkten onderzoekers van IBS samen met universitair hoofddocent Giuliano Benenti van de Universiteit van Insubria, Italië, om de kwantumdynamiek binnen een micromaser te bestuderen. Zoals Benenti uitlegde: “In een micromaser wordt een maser gebruikt waarin afzonderlijke atomen die een resonator doorkruisen (een hoogwaardige holte waar een foton lange tijd kan overleven) zorgen voor een efficiënte pomp.” In plaats van licht dat in een laser wordt gebruikt om kwantuminteracties te stimuleren, worden in een maser microgolven gebruikt voor hetzelfde effect. Binnen een maser-model wordt de stroom fotonen interageert met het elektromagnetische veld, waardoor het energie opslaat. “In het atoom zijn slechts twee niveaus van belang,” voegde Benenti eraan toe. “Met resonante koppeling met de holte (dat wil zeggen, het energieverschil tussen de twee atomaire niveaus in eenheden van de constante van Planck is gelijk aan de frequentie van de oscillaties van het elektromagnetische veld in de holte). Het atoom gedraagt zich dus als een qubit. Hetzelfde concept wordt nu overgebracht naar de vaste toestand, waarbij supergeleidende qubits als golfgeleider aan het elektromagnetische veld worden gekoppeld.”
Door de specifieke opstelling bereikt het elektromagnetische veld a stabiele toestand, waar het stopt met het absorberen van energie, waardoor een materieel stoppunt voor het laadproces mogelijk wordt. Deze stabiele toestand geeft de onderzoekers ook een oplaadmetriek die ze kunnen gebruiken bij het ontwikkelen van een micromaser en verkleint de kans op overladen. Dankzij het unieke karakter van de stabiele toestand ontdekten de onderzoekers dat deze zich in een ‘pure staat’ bevond, waarbij de micromaser zich geen herinnering had aan de qubits die tijdens het opladen werden gebruikt. Dit suggereerde dat de energie die is opgeslagen in het elektromagnetische veld op elk moment kan worden geëxtraheerd, zonder dat het nodig is om bij te houden welke qubits in het proces worden gebruikt.
De mogelijkheid van kwantumbatterijen
Met een potentieel nieuw platform voor kwantumbatterijen hopen de onderzoekers dat hun resultaten door anderen kunnen worden gebruikt om deze nieuwe technologie te gaan ontwikkelen. “Met name kan de kwantummechanica leiden tot een verbetering, ten opzichte van klassieke batterijen, in de hoeveelheid werk die per tijdseenheid wordt gestort wanneer de N-batterijen gezamenlijk worden opgeladen”, zegt Benenti. “Dit kwantumvoordeel houdt verband met de mogelijkheid om verstrengelde toestanden van de N-batterijen te creëren. In toekomstige technologieën zouden kwantumbatterijen kunnen bijdragen aan een efficiënt energiebeheer op nanoschaal, een belangrijk punt voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.” Benenti is niet alleen enthousiast over het nieuwe platform, maar suggereert zelfs een manier waarop het kan worden gebruikt door huidige quantumcomputerbedrijven. “Een mogelijke opstelling zou er een kunnen zijn die wordt gebruikt voor prototypen van kwantumcomputers (IBMQ, Kopen Google Reviews, Rigetti…) gebaseerd op supergeleidende qubits, gekoppeld aan een golfgeleider (cavity-modus),” voegde hij eraan toe. Met de vooruitgang op dit soort platforms kunnen kwantumbatterijen eerder werkelijkheid worden dan verwacht.
Kenna Hughes-Castleberry is een stafschrijver bij Inside Quantum Technology en de Science Communicator bij JILA (een samenwerking tussen de University of Colorado Boulder en NIST). Haar schrijfritmes omvatten deep tech, de metaverse en kwantumtechnologie.
