By Kenna Hughes-Castleberry lagt ut 01. november 2022
Ettersom verden fortsetter å lete etter billigere og renere energikilder, kan en mulig løsning finnes i kvantebatterier. I motsetning til vanlige batterier, eksperter postulere at kvantebatterier vil utnytte forviklinger å lade raskere også prestere bedre. Å utvikle disse nye batteriene vil imidlertid være langt fra enkelt, det elektromagnetiske feltet gir komplikasjoner når man prøver å lagre energi. For å overvinne denne utfordringen har forskere fra Koreas Institute for Basic Science (IBS) brukte en maser (mikrobølgeanalogen til en laser) for å foreslå en ny plattform for kvantebatterier.
Utfordringer i et elektromagnetisk felt
Ved utvikling av kvantebatterier blir det elektromagnetiske feltet et problem. Tidligere forskning har antydet at mens det elektromagnetiske feltet kan brukes til å lagre energi til batteriet, er det en mulighet for at feltet kan absorbere mye mer energi enn det som trengs. Prosessen vil i hovedsak ligne på en bærbar datamaskin som tar på seg mye mer endring enn den er beregnet for. Fordi det ikke finnes noen mekanisme for å stoppe denne ladeprosessen, er mange bekymret for at dette kan redusere utviklingen av kvantebatterier betydelig.
Cue the Masers
For å prøve å overvinne dette problemet, samarbeidet forskere fra IBS med førsteamanuensis Giuliano Benenti ved University of Insubria, Italia, for å studere kvantedynamikk i en mikromaser. Som Benenti forklarte: "I en mikromaser opereres en maser der enkeltatomer som transverserer en resonator (et hulrom av høy kvalitet der et foton kan overleve lenge) sørger for en effektiv pumpe." I stedet for lys som brukes i en laser for å stimulere kvanteinteraksjoner, brukes mikrobølger i en maser for samme effekt. Innenfor en masermodell er strøm av fotoner interagerer med det elektromagnetiske feltet, og får det til å lagre energi. "I atomet er det bare to nivåer som betyr noe," la Benenti til. "Med resonanskobling med hulrommet (det vil si at energiforskjellen mellom de to atomnivåene i enheter av Planck-konstanten tilsvarer frekvensen av oscillasjonene til det elektromagnetiske feltet i hulrommet). Så atomet fungerer som en qubit. Det samme konseptet er nå overført til fast tilstand, med superledende qubits koblet til det elektromagnetiske feltet som en bølgeleder."
På grunn av det spesifikke oppsettet når det elektromagnetiske feltet en stabil, der den slutter å absorbere energi, noe som tillater et materiale som stopper ladeprosessen. Denne stabile tilstanden gir også forskerne en lademåling som kan brukes når de utvikler en mikromaser og reduserer muligheten for overlading. Takket være det unike med steady state, fant forskerne at den var i en "ren tilstand", der mikromaseren ikke husket qubitene som ble brukt under lading. Dette antydet at energien som var lagret i det elektromagnetiske feltet kunne hentes ut når som helst, uten behov for å holde styr på qubitene som ble brukt i prosessen.
Muligheten for kvantebatterier
Med en potensiell ny plattform for kvantebatterier, håper forskerne at resultatene deres kan brukes av andre til å begynne å utvikle denne nye teknologien. "Spesielt kan kvantemekanikk føre til en forbedring, med hensyn til klassiske batterier, i mengden arbeid som legges inn per tidsenhet når N-batteriene lades kollektivt," sa Benenti. "Denne kvantefordelen er knyttet til muligheten for å skape sammenfiltrede tilstander til N-batteriene. I fremtidige teknologier kan kvantebatterier bidra til effektiv energistyring på nanoskala, et nøkkelpunkt for utviklingen av kvanteteknologier." Benenti er ikke bare begeistret for den nye plattformen, men foreslår til og med en måte den kan brukes av nåværende kvantedatabedrifter. "Et mulig oppsett kan være et som brukes for kvantedatamaskinprototyper (IBMQ, Google, Rigetti…) basert på superledende qubits, kombinert med en bølgeleder (hulromsmodus),» la han til. Med fremskritt innen denne typen plattformer, kan kvantebatterier bli en realitet raskere enn forventet.
Kenna Hughes-Castleberry er stabsskribent ved Inside Quantum Technology og Science Communicator ved JILA (et partnerskap mellom University of Colorado Boulder og NIST). Skriverytmene hennes inkluderer dypteknologi, metaverset og kvanteteknologi.
