By Kenny Hughes-Castleberry wysłano 01 listopada 2022 r
Ponieważ świat w dalszym ciągu poszukuje tańszych i czystszych źródeł energii, możliwym rozwiązaniem mogą być baterie kwantowe. W odróżnieniu od zwykłych baterii, eksperci postulować, że baterie kwantowe będą miały charakter dźwigni uwikłanie aby ładować szybciej wykonaj lepiej. Jednak opracowanie nowych akumulatorów nie będzie łatwe, ponieważ pole elektromagnetyczne powoduje dodatkowe komplikacje przy próbach magazynowania energii. Aby stawić czoła temu wyzwaniu, naukowcy z Koreańskiego Instytutu Nauk Podstawowych (IBS) użył maser (mikrofalowy analog lasera), aby zaproponować nową platformę dla baterii kwantowych.
Wyzwania w polu elektromagnetycznym
Podczas opracowywania baterii kwantowych problemem staje się pole elektromagnetyczne. Poprzednie badania sugerowały, że choć pole elektromagnetyczne może zostać wykorzystane do magazynowania energii w akumulatorze, istnieje możliwość, że pole to będzie absorbować o wiele więcej energii niż to, co jest potrzebne. Zasadniczo proces ten byłby podobny do laptopa przyjmującego znacznie więcej zmian, niż jest to przeznaczone. Ponieważ nie ma mechanizmu zatrzymującego proces ładowania, wiele osób obawia się, że może to znacznie zahamować rozwój akumulatorów kwantowych.
Daj sygnał Maserom
Aby spróbować przezwyciężyć ten problem, badacze z IBS współpracowali z profesorem nadzwyczajnym Giuliano Benenti z Uniwersytetu Insubria we Włoszech w celu zbadania dynamiki kwantowej w mikromaserze. Jak wyjaśnił Benenti: „W mikromaserze działa maser, w którym pojedyncze atomy przechodzące przez rezonator (wysokiej jakości wnękę, w której foton może przetrwać przez długi czas) zapewniają wydajną pompę”. Zamiast światła używanego w laserze do stymulacji interakcji kwantowych, w maserze stosuje się mikrofale, aby uzyskać ten sam efekt. W modelu masera, strumień fotonów oddziałuje z polem elektromagnetycznym, powodując magazynowanie energii. „W atomie liczą się tylko dwa poziomy” – dodał Benenti. „Przy sprzężeniu rezonansowym z wnęką (to znaczy różnica energii między dwoma poziomami atomowymi w jednostkach stałej Plancka jest równa częstotliwości oscylacji pola elektromagnetycznego we wnęce). Zatem atom zachowuje się jak kubit. Ta sama koncepcja została obecnie przeniesiona do stanu stałego, z nadprzewodzącymi kubitami sprzężonymi z polem elektromagnetycznym w charakterze falowodu”.
Ze względu na specyficzną konfigurację pole elektromagnetyczne osiąga a stan stabilny, gdzie przestaje pochłaniać energię, umożliwiając zatrzymanie materiału w procesie ładowania. Ten stan ustalony zapewnia badaczom wskaźnik ładowania, który można wykorzystać podczas opracowywania mikromasera, i zmniejsza ryzyko przeładowania. Dzięki wyjątkowości stanu ustalonego naukowcy odkryli, że jest to „stan czysty”, w którym mikromaser nie pamięta kubitów używanych podczas ładowania. Sugerowało to, że energię zmagazynowaną w polu elektromagnetycznym można wydobyć w dowolnym momencie, bez konieczności śledzenia wykorzystanych w procesie kubitów.
Możliwości baterii kwantowych
Naukowcy mają nadzieję, że dzięki potencjalnej nowej platformie dla akumulatorów kwantowych ich wyniki będą mogły zostać wykorzystane przez innych do rozpoczęcia opracowywania tej nowej technologii. „W szczególności mechanika kwantowa może prowadzić do zwiększenia, w porównaniu z akumulatorami klasycznymi, ilości pracy zdeponowanej w jednostce czasu, gdy akumulatory N są ładowane łącznie” – powiedział Benenti. „Ta przewaga kwantowa jest powiązana z możliwością tworzenia stanów splątanych akumulatorów N. W technologiach przyszłości baterie kwantowe mogą pomóc w efektywnym zarządzaniu energią w nanoskali, co jest kluczowym elementem rozwoju technologii kwantowych”. Benenti nie tylko jest podekscytowany nową platformą, ale nawet sugeruje, w jaki sposób mogą ją wykorzystać obecne firmy zajmujące się komputerami kwantowymi. „Możliwą konfiguracją mogłaby być konfiguracja stosowana w prototypach komputerów kwantowych (IBMQ, Google, Rigettiego…) w oparciu o nadprzewodzące kubity, sprzężone z falowodem (tryb wnękowy)” – dodał. Wraz z postępem w tego typu platformach baterie kwantowe mogą stać się rzeczywistością wcześniej, niż oczekiwano.
Kenna Hughes-Castleberry jest pisarzem personelu w Inside Quantum Technology i Science Communicator w JILA (partnerstwo między University of Colorado Boulder i NIST). Jej pisarskie bity obejmują deep tech, metaverse i technologię kwantową.
