By Kenna Hughes-Castleberry postado em 01 de novembro de 2022
À medida que o mundo continua a procurar fontes de energia mais baratas e limpas, uma possível solução pode ser encontrada nas baterias quânticas. Ao contrário das baterias normais, especialistas postular que as baterias quânticas aproveitarão emaranhamento para carregar mais rápido, bem como ter melhor desempenho. Porém, desenvolver essas novas baterias não será nada fácil, o campo eletromagnético acrescenta complicações na tentativa de armazenar energia. Para superar este desafio, pesquisadores do Instituto de Ciências Básicas da Coreia (IBS) usou um massagem (o análogo de micro-ondas de um laser) para sugerir uma nova plataforma para baterias quânticas.
Desafios em um campo eletromagnético
No desenvolvimento de baterias quânticas, o campo eletromagnético se torna um problema. Pesquisas anteriores sugeriram que embora o campo eletromagnético pudesse ser usado para armazenar energia para a bateria, existe a possibilidade de que o campo pudesse absorver muito mais energia do que o necessário. Essencialmente, o processo seria semelhante a um laptop que aceita muito mais mudanças do que o permitido. Como não existe um mecanismo para interromper esse processo de carregamento, muitos temem que isso possa atrasar significativamente o desenvolvimento de baterias quânticas.
Deixe os Masers
Para tentar superar este problema, investigadores do IBS colaboraram com o Professor Associado Juliano Benenti da Universidade de Insubria, Itália, para estudar a dinâmica quântica dentro de um micromaser. Como Benenti explicou: “Em um micromaser, um maser é operado no qual átomos únicos que atravessam um ressonador (uma cavidade de alta qualidade onde um fóton pode sobreviver por longos períodos) fornecem uma bomba eficiente”. Em vez da luz usada em um laser para estimular interações quânticas, as microondas são usadas em um maser para o mesmo efeito. Dentro de um modelo maser, o fluxo de fótons interage com o campo eletromagnético, fazendo com que ele armazene energia. “No átomo, apenas dois níveis importam”, acrescentou Benenti. “Com acoplamento ressonante com a cavidade (ou seja, a diferença de energia entre os dois níveis atômicos em unidades da constante de Planck é igual à frequência das oscilações do campo eletromagnético na cavidade). Portanto, o átomo age como um qubit. O mesmo conceito é agora transferido para o estado sólido, com qubits supercondutores acoplados ao campo eletromagnético como guia de ondas.”
Devido à configuração específica, o campo eletromagnético atinge um curso estável, onde deixa de absorver energia, permitindo um ponto de parada do material no processo de carregamento. Este estado estacionário também dá aos pesquisadores uma métrica de carga para usar no desenvolvimento de um micromaser e reduz a possibilidade de sobrecarga. Graças à singularidade do estado estacionário, os pesquisadores descobriram que ele estava em um “estado puro”, onde o micromaser não se lembrava dos qubits usados durante o carregamento. Isso sugeria que a energia armazenada no campo eletromagnético poderia ser extraída a qualquer momento, sem a necessidade de acompanhar os qubits utilizados no processo.
A possibilidade de baterias quânticas
Com uma potencial nova plataforma para baterias quânticas, os pesquisadores estão esperançosos de que seus resultados possam ser usados por outros para começar a desenvolver esta nova tecnologia. “Notavelmente, a mecânica quântica pode levar a um aumento, em relação às baterias clássicas, na quantidade de trabalho depositado por unidade de tempo quando as baterias N são carregadas coletivamente”, disse Benenti. “Essa vantagem quântica está ligada à possibilidade de criar estados emaranhados das baterias N. Nas tecnologias futuras, as baterias quânticas poderão ajudar na gestão eficiente da energia em nanoescala, um ponto-chave para o desenvolvimento de tecnologias quânticas.” Benenti não apenas está entusiasmado com a nova plataforma, mas até sugere uma maneira de usá-la pelas atuais empresas de computação quântica. “Uma configuração possível poderia ser usada para protótipos de computadores quânticos (IBMQ, Google, Rigetti…) baseado em qubits supercondutores, acoplados a um guia de ondas (modo cavidade)”, acrescentou. Com os avanços nesses tipos de plataformas, as baterias quânticas podem se tornar realidade mais cedo do que o esperado.
Kenna Hughes-Castleberry é redatora da Inside Quantum Technology e comunicadora científica da JILA (uma parceria entre a University of Colorado Boulder e o NIST). Suas batidas de escrita incluem tecnologia profunda, metaverso e tecnologia quântica.
