By Kenna Hughes-Castleberry objavljeno 01. novembra 2022
Ker svet še naprej išče cenejše in čistejše vire energije, bi lahko rešitev našli v kvantnih baterijah. Za razliko od običajnih baterij, Strokovnjaki domnevajo, da bodo kvantne baterije imele vzvod zapletanje za hitrejše polnjenje kot tudi bolje delovati. Vendar pa razvoj teh novih baterij še zdaleč ne bo enostaven, elektromagnetno polje dodaja zaplete pri poskusu shranjevanja energije. Da bi premagali ta izziv, so raziskovalci s Korejskega inštituta za osnovno znanost (IBS) uporabil a maser (mikrovalovni analog laserja), da predlaga novo platformo za kvantne baterije.
Izzivi v elektromagnetnem polju
Pri razvoju kvantnih baterij postane elektromagnetno polje problem. Prejšnje raziskave so pokazale, da čeprav bi se elektromagnetno polje lahko uporabljalo za shranjevanje energije za baterijo, obstaja možnost, da bi polje absorbiralo veliko več energije kot je potrebno. V bistvu bi bil postopek podoben prenosnemu računalniku, ki sprejme veliko več drobiža, kot je predvideno. Ker ni mehanizma, ki bi zaustavil ta proces polnjenja, so številni zaskrbljeni, da bi to lahko precej zavrlo razvoj kvantnih baterij.
Poslušaj Maserje
Da bi poskusili premagati to težavo, so raziskovalci iz IBS sodelovali z izrednim profesorjem Giuliano Benenti Univerze v Insubria, Italija, za preučevanje kvantne dinamike v mikromaserju. Kot je pojasnil Benenti: "V mikromaserju deluje maser, v katerem posamezni atomi, ki prečkajo resonator (visokokakovostno votlino, kjer lahko foton preživi dolgo časa), zagotavljajo učinkovito črpalko." Namesto svetlobe, ki se uporablja v laserju za spodbujanje kvantnih interakcij, se mikrovalovi uporabljajo v maserju za enak učinek. Znotraj modela maser je tok fotonov sodeluje z elektromagnetnim poljem in povzroči shranjevanje energije. "V atomu sta pomembni le dve ravni," je dodal Benenti. »Z resonančno sklopitvijo z votlino (to je energijska razlika med obema atomskima nivojema v enotah Planckove konstante enaka frekvenci nihanja elektromagnetnega polja v votlini). Torej atom deluje kot kubit. Isti koncept je zdaj prenesen v trdno stanje, s superprevodnimi kubiti, povezanimi z elektromagnetnim poljem kot valovodom.«
Zaradi specifične postavitve elektromagnetno polje doseže a stabilno stanje, kjer preneha absorbirati energijo, kar omogoči materialno točko zaustavitve procesa polnjenja. To stabilno stanje daje raziskovalcem tudi metriko polnjenja, ki jo lahko uporabijo pri razvoju mikromaserja, in zmanjša možnost prenapolnjenosti. Zahvaljujoč edinstvenosti stabilnega stanja so raziskovalci ugotovili, da je v "čistem stanju", kjer se mikromaser ni spominjal kubitov, ki so bili uporabljeni med polnjenjem. To je nakazovalo, da bi lahko energijo, shranjeno v elektromagnetnem polju, kadar koli pridobili, ne da bi bilo treba slediti kubitom, uporabljenim v procesu.
Možnost kvantnih baterij
S potencialno novo platformo za kvantne baterije raziskovalci upajo, da bodo njihove rezultate lahko uporabili tudi drugi za začetek razvoja te nove tehnologije. "Kvantna mehanika lahko v primerjavi s klasičnimi baterijami privede do povečanja količine dela na enoto časa, ko se N baterije polnijo skupaj," je dejal Benenti. »Ta kvantna prednost je povezana z možnostjo ustvarjanja zapletenih stanj N baterij. V prihodnjih tehnologijah bi kvantne baterije lahko pomagale pri učinkovitem upravljanju energije na nanometru, kar je ključna točka za razvoj kvantnih tehnologij.« Benenti ni le navdušen nad novo platformo, ampak celo predlaga, kako jo lahko uporabljajo sedanja podjetja za kvantno računalništvo. "Možna nastavitev bi lahko bila tista, ki bi se uporabljala za prototipe kvantnih računalnikov (IBMQ, google, Rigetti…), ki temelji na superprevodnih kubitih, povezanih z valovodom (cavity mode),« je dodal. Z napredkom v tovrstnih platformah lahko kvantne baterije postanejo resničnost prej, kot je bilo pričakovano.
Kenna Hughes-Castleberry je zaposlena pisateljica pri Inside Quantum Technology in znanstveni komunikator pri JILA (partnerstvo med Univerzo Colorado Boulder in NIST). Njeni utripi pisanja vključujejo globoko tehnologijo, metaverzum in kvantno tehnologijo.
