Większość akumulatorów magazynuje energię w procesach chemicznych. Natomiast baterie kwantowe magazynują energię w wysoce wzbudzonych stanach układów kwantowych. Naukowcy zaproponowali wiele różnych sposobów wdrażania takich baterii, a ostatnie postępy wzbudziły nadzieje, że mogą one pomóc w przejściu na bardziej zrównoważone źródła energii. Jednak wiążą się z kilkoma wyzwaniami, w tym znalezieniem łatwych sposobów na uwolnienie energii i utrzymanie prawidłowego poziomu zmagazynowanej energii.
Naukowcy z Instytutu Nauk Podstawowych (IBS) w Korei we współpracy z kolegami z Uniwersytetu Insubria we Włoszech wykazali teraz, że baterie kwantowe oparte na mikromaserach mogą pomóc w przezwyciężeniu niektórych z tych wyzwań. Mikromasery składają się ze strumienia atomów, które oddziałują z polem elektromagnetycznym wewnątrz wnęki optycznej. Energia we wnęce wzrasta wraz z kolejnymi interakcjami, aż do osiągnięcia pewnego poziomu, ładując akumulator.
W nowej pracy zespół IBS-Insubria wykazał, że mikromasery po naładowaniu osiągają stan prawie stały, co oznacza, że ich poziom energii nie zmienia się znacząco w skalach czasowych właściwych dla systemu w modelu zespołu. Jest to ważne, ponieważ umożliwia dokładne obliczenie czasu ładowania akumulatora. Przy parametrach użytych w tym badaniu, stan stacjonarny zostaje osiągnięty po około 30 oddziaływaniach, a energia pozostaje stabilna przez około 1 milion dalszych oddziaływań.
Prawie czysty stan ustalony
Kolejną zaletą tego prawie ustalonego stanu jest to, że jest on w przybliżeniu czysty, co umożliwia rozpatrywanie stanu wnęki niezależnie od stanu atomów, z którymi wchodziła w interakcje. Jest to zaskakujące, ponieważ po wielu zderzeniach można by się spodziewać, że stan wnęki nie będzie czysty, co uniemożliwi maksymalizację ilości energii wydobywanej z baterii bez interakcji ze wszystkimi odrzuconymi atomami. Jednak zespół IBS-Insubria wykazał, że ilość użytecznej energii (znanej jako ergotropia baterii) pozostaje wysoka.
Dynamika kwantowa mikromasera zapobiega również przeładowaniu akumulatora, mówi Dariusz Rosa, starszy pracownik naukowy w IBS, który prowadził badanie. „W zasadzie system może nadal zwiększać energię i może stać się nieskończony” – wyjaśnia Rosa. „Bez jakiejkolwiek zewnętrznej kontroli mikromaser dzięki własnej dynamice nie zwiększa swojej energii w nieskończoność”. Ułatwia to ładowanie baterii i zapobiega uszkodzeniu sprzętu przez nadmierną energię.
Dodatkowo nowe wyniki, które zespół opisuje w czasopiśmie Nauka i technologia kwantowa, pokazują, że te cechy są prawdziwe w realistycznych warunkach (czyli zwiększonej mocy ładowania i niedokładności właściwości fizycznych układu) dla przygotowania i działania mikromasera – przybliżając model użytecznej baterii do tego, co jest osiągalne eksperymentalnie.
Przewaga superpozycji
Pozytywne wyniki dotyczące mikromaserów są poparte powiązane badanie przez grupę z Uniwersytetu Genewskiego w Szwajcarii. Grupa ta, kierowana przez Stefana Nimmrichtera, wykazała, że pojedynczy mikromaser może mieć przewagę nad klasycznymi urządzeniami pod względem mocy ładowania, jeśli atomy docierają do wnęki w superpozycji kwantowej. Wcześniej wiedziano tylko, że moc ładowania można poprawić w porównaniu z klasycznymi systemami, łącząc wiele baterii kwantowych za pomocą splątania kwantowego.
Bateria kwantowa może zyskać na sile od splątania
Rosa mówi, że potrzebne są dalsze prace, aby lepiej zrozumieć, jak łączyć wiele pojedynczych mikromaserów i optymalizować wydajność podczas skalowania systemu. „W przypadku innych akumulatorów widzieliśmy, że moc ładowania poprawia się, gdy więcej akumulatorów ładuje się razem”, mówi. „Chcemy wiedzieć, czy mikromasery mają tę właściwość”.
Aby uczynić model bardziej realistycznym, zespół jest teraz zainteresowany tym, co dzieje się, gdy wnęka jest niedoskonała, co oznacza, że część energii jest rozpraszana. Jeśli bateria sprawuje się dobrze w tych warunkach, zachowując cechy już widoczne w tej pracy, otworzy to drzwi do potencjalnej współpracy eksperymentalnej, w tym z innymi fizykami we Włoszech lub grupą z Genewy.
