By Кенна Хьюз-Кастлберри опубликовано 01 ноя 2022
Поскольку мир продолжает искать более дешевые и чистые источники энергии, возможное решение может быть найдено в квантовых батареях. В отличие от обычных батарей, эксперты постулировать, что квантовые батареи будут использовать запутанность заряжать быстрее, а также работать лучше. Однако разработка этих новых батарей будет далеко не простой, электромагнитное поле добавляет сложности при попытках сохранить энергию. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи из Корейского института фундаментальных наук (IBS) использовал мазер (микроволновый аналог лазера), чтобы предложить новую платформу для квантовых батарей.
Проблемы в электромагнитном поле
При разработке квантовых батарей электромагнитное поле становится проблемой. Предыдущие исследования показали, что, хотя электромагнитное поле можно использовать для хранения энергии батареи, существует вероятность того, что поле может поглощать энергию. гораздо больше энергии чем то, что нужно. По сути, этот процесс будет похож на перенос ноутбука на большее количество изменений, чем предусмотрено. Поскольку нет механизма, чтобы остановить этот процесс зарядки, многие обеспокоены тем, что это может значительно замедлить разработку квантовых батарей.
Кий Мазеры
Чтобы попытаться решить эту проблему, исследователи из IBS сотрудничали с доцентом Джулиано Бененти Университета Инсубрии, Италия, для изучения квантовой динамики в микромазере. Как объяснил Бененти: «В микромазере работает мазер, в котором отдельные атомы, пересекающие резонатор (высококачественную полость, в которой фотон может существовать в течение длительного времени), обеспечивают эффективную накачку». Вместо света, используемого в лазере для стимуляции квантовых взаимодействий, в мазере для того же эффекта используются микроволны. В мазерной модели поток фотонов взаимодействует с электромагнитным полем, заставляя его накапливать энергию. «В атоме имеют значение только два уровня», — добавил Бененти. «С резонансной связью с полостью (то есть разность энергий двух атомных уровней в единицах постоянной Планка равна частоте колебаний электромагнитного поля в полости). Таким образом, атом действует как кубит. Та же концепция теперь перенесена в твердое состояние со сверхпроводящими кубитами, связанными с электромагнитным полем в качестве волновода».
Из-за специфической установки электромагнитное поле достигает устойчивое состояние, где он перестает поглощать энергию, позволяя материалу остановиться в процессе зарядки. Это устойчивое состояние также дает исследователям показатель зарядки для использования при разработке микромазера и снижает вероятность перезарядки. Благодаря уникальности стационарного состояния исследователи обнаружили, что оно находится в «чистом состоянии», когда микромазер не помнит кубиты, которые использовались во время зарядки. Это предполагало, что энергия, хранящаяся в электромагнитном поле, может быть извлечена в любое время без необходимости отслеживать кубиты, используемые в процессе.
Возможности квантовых батарей
Имея потенциальную новую платформу для квантовых батарей, исследователи надеются, что их результаты могут быть использованы другими для начала разработки этой новой технологии. «Примечательно, что квантовая механика может привести к увеличению по сравнению с классическими батареями количества работы, выполняемой в единицу времени, когда N батарей заряжаются вместе», — сказал Бененти. «Это квантовое преимущество связано с возможностью создавать запутанные состояния N батарей. В технологиях будущего квантовые батареи могут помочь в эффективном управлении энергией на наноуровне, что является ключевым моментом для развития квантовых технологий». Бененти не только в восторге от новой платформы, но даже предлагает способ ее использования нынешними компаниями, занимающимися квантовыми вычислениями. «Возможная установка может быть использована для прототипов квантовых компьютеров (IBMQ, Google, Rigetti…) на основе сверхпроводящих кубитов в сочетании с волноводом (режим резонатора)», — добавил он. С развитием платформ такого типа квантовые батареи могут стать реальностью раньше, чем ожидалось.
Кенна Хьюз-Кастлберри — штатный писатель Inside Quantum Technology и научный коммуникатор JILA (партнерство между Колорадским университетом в Боулдере и NIST). Ее писательские приемы включают в себя глубокие технологии, метавселенную и квантовые технологии.
