Большинство аккумуляторов накапливают энергию посредством химических процессов. Квантовые батареи, напротив, хранят энергию в высоковозбужденных состояниях квантовых систем. Исследователи предложили ряд различных способов внедрения таких батарей, и недавние достижения породили надежду на то, что они могут способствовать переходу на более устойчивые источники энергии. Тем не менее, они сопряжены с рядом проблем, в том числе с поиском простых способов высвобождения энергии и поддержанием правильного уровня накопленной энергии.
Исследователи из Института фундаментальных наук (IBS) в Корее в сотрудничестве с коллегами из Университета Инсубрии в Италии показали, что квантовые батареи на основе микромазеров могут помочь преодолеть некоторые из этих проблем. Микромазеры состоят из потока атомов, которые взаимодействуют с электромагнитным полем внутри оптического резонатора. Энергия в резонаторе увеличивается при последовательных взаимодействиях, пока не стабилизируется на определенном уровне, заряжая аккумулятор.
В новой работе команда IBS-Insubria продемонстрировала, что микромазеры после зарядки достигают почти устойчивого состояния, а это означает, что их уровень энергии не колеблется значительно в течение времени, относящегося к системе в модели группы. Это важно, поскольку позволяет точно рассчитать время зарядки аккумулятора. С параметрами, использованными в этом исследовании, стационарный уровень достигается примерно после 30 взаимодействий, а энергия остается стабильной примерно в течение 1 миллиона дальнейших взаимодействий.
Почти чистое стационарное состояние
Другое преимущество этого почти стационарного состояния состоит в том, что оно приближенно чистое, что позволяет рассматривать состояние полости независимо от состояния атомов, с которыми она взаимодействовала. Это удивительно, потому что после многих столкновений можно было бы ожидать, что состояние полости не будет чистым, что сделает невозможным максимизацию количества энергии, извлекаемой из батареи, без взаимодействия со всеми выброшенными атомами. Однако команда IBS-Insubria показала, что количество полезной энергии (известное как эрготропия батареи) остается высоким.
Квантовая динамика микромазера также предотвращает перезаряд батареи. Дарио Роза, старший научный сотрудник IBS, руководивший исследованием. «В принципе, энергия системы может продолжать увеличиваться, и она может стать бесконечной», — объясняет Роза. «Без какого-либо внешнего управления микромазер по собственной динамике не увеличивает свою энергию бесконечно». Это облегчает зарядку аккумулятора и предотвращает повреждение оборудования из-за избыточной энергии.
Кроме того, новые результаты, которые команда описывает в журнале Квантовая наука и технологии, показывают, что эти характеристики сохраняются в реальных условиях (а именно, повышенная мощность зарядки и неточности в физических свойствах системы) для подготовки и работы микромазера, приближая модель полезной батареи к тому, что достижимо экспериментально.
Преимущество суперпозиции
Положительные результаты в отношении микромазеров подтверждаются исследование группой из Женевского университета, Швейцария. Эта группа, возглавляемая Стефаном Ниммрихтером, показала, что один микромазер может иметь преимущество перед классическими устройствами в своей зарядной мощности, если атомы достигают полости в квантовой суперпозиции. Ранее было известно только, что мощность зарядки по сравнению с классическими системами может быть улучшена за счет объединения множества квантовых батарей с использованием квантовой запутанности.
Квантовая батарея может получить импульс от запутанности
Роза говорит, что необходима дальнейшая работа, чтобы лучше понять, как объединить множество отдельных микромазеров и оптимизировать производительность при масштабировании системы. «С другими батареями мы видели, что мощность зарядки улучшается при одновременной зарядке большего количества батарей», — говорит он. «Мы хотим знать, обладают ли микромазеры этим свойством».
Чтобы сделать модель более реалистичной, команду теперь интересует, что происходит, когда полость несовершенна, а это означает, что часть энергии рассеивается. Если батарея будет хорошо работать в этих условиях, сохраняя особенности, уже замеченные в этой работе, это откроет двери для потенциального экспериментального сотрудничества, в том числе с другими физиками в Италии или группой в Женеве.
