By Kenna Hughes-Castleberry postat 01 november 2022
När världen fortsätter att leta efter billigare och renare energikällor, kan en möjlig lösning hittas i kvantbatterier. Till skillnad från vanliga batterier, experter anta att kvantbatterier kommer att dra nytta av intrassling att ladda snabbare också prestera bättre. Men att utveckla dessa nya batterier kommer att vara långt ifrån lätt, det elektromagnetiska fältet lägger till komplikationer när man försöker lagra energi. För att övervinna denna utmaning har forskare från Koreas Institute for Basic Science (IBS) använde en maser (mikrovågsanalogen av en laser) för att föreslå en ny plattform för kvantbatterier.
Utmaningar i ett elektromagnetiskt fält
Vid utveckling av kvantbatterier blir det elektromagnetiska fältet ett problem. Tidigare forskning har föreslagit att även om det elektromagnetiska fältet kan användas för att lagra energi för batteriet, finns det en möjlighet att fältet kan absorbera mycket mer energi än vad som behövs. I huvudsak skulle processen likna en bärbar dator som tar mycket mer förändring än den är avsedd för. Eftersom det inte finns någon mekanism för att stoppa denna laddningsprocess är många oroliga för att detta avsevärt kan sätta tillbaka utvecklingen av kvantbatterier.
Cue Masers
För att försöka lösa detta problem samarbetade forskare från IBS med docent Giuliano Benenti vid University of Insubria, Italien, för att studera kvantdynamik inom en mikromaser. Som Benenti förklarade: "I en mikromaser drivs en maser där enstaka atomer transverserar en resonator (en högkvalitativ kavitet där en foton kan överleva under långa tider) tillhandahåller en effektiv pump." Istället för ljus som används i en laser för att stimulera kvantinteraktioner används mikrovågor i en maser för samma effekt. Inom en masermodell, den ström av fotoner interagerar med det elektromagnetiska fältet, vilket gör att det lagrar energi. "I atomen spelar bara två nivåer roll," tillade Benenti. "Med resonanskoppling med kaviteten (det vill säga energiskillnaden mellan de två atomnivåerna i enheter av Planck-konstanten är lika med frekvensen av svängningarna i det elektromagnetiska fältet i kaviteten). Så atomen fungerar som en qubit. Samma koncept överförs nu till det fasta tillståndet, med supraledande qubits kopplade till det elektromagnetiska fältet som en vågledare."
På grund av den specifika inställningen når det elektromagnetiska fältet a stabilt tillstånd, där den slutar absorbera energi, vilket tillåter en materialstopppunkt för laddningsprocessen. Detta stationära tillstånd ger också forskarna ett laddningsmått att använda när de utvecklar en mikromaser och minskar risken för överladdning. Tack vare det unika med det stabila tillståndet fann forskarna att det var i ett "rent tillstånd", där mikromasern inte hade något minne av qubits som användes under laddning. Detta antydde att energin som lagras i det elektromagnetiska fältet kunde utvinnas när som helst, utan att behöva hålla reda på de qubits som används i processen.
Möjligheten med kvantbatterier
Med en potentiell ny plattform för kvantbatterier är forskarna hoppfulla om att deras resultat kan användas av andra för att börja utveckla denna nya teknik. "Särskilt, kvantmekanik kan leda till en förbättring, med avseende på klassiska batterier, i mängden avsatt arbete per tidsenhet när N-batterierna laddas kollektivt," sa Benenti. "Denna kvantfördel är kopplad till möjligheten att skapa intrasslade tillstånd för N-batterierna. I framtida tekniker kan kvantbatterier hjälpa till med effektiv energihantering på nanoskala, en nyckelpunkt för utvecklingen av kvantteknologi." Benenti är inte bara upphetsad av den nya plattformen utan föreslår till och med ett sätt som den kan användas av nuvarande kvantdatorföretag. "En möjlig installation kan vara en som används för kvantdatorprototyper (IBMQ, Google, Rigetti…) baserat på supraledande qubits, i kombination med en vågledare (kavitetsläge), tillade han. Med framsteg inom dessa typer av plattformar kan kvantbatterier bli verklighet snabbare än väntat.
Kenna Hughes-Castleberry är personalskribent på Inside Quantum Technology och Science Communicator vid JILA (ett partnerskap mellan University of Colorado Boulder och NIST). Hennes skrivbeats inkluderar djupteknologi, metaversen och kvantteknologi.
