Більшість батарей накопичують енергію за допомогою хімічних процесів. Квантові батареї, навпаки, зберігають енергію у високозбуджених станах квантових систем. Дослідники запропонували кілька різних способів впровадження таких батарей, і нещодавні досягнення породили надію, що вони можуть сприяти переходу до більш стійких джерел енергії. Однак вони стикаються з кількома проблемами, включаючи пошук простих способів вивільнити енергію та підтримувати належний рівень накопиченої енергії.
Дослідники з Інституту фундаментальної науки (IBS), Корея, у співпраці з колегами з Університету Інсубрії, Італія, тепер показали, що квантові батареї на основі мікромазерів можуть допомогти подолати деякі з цих проблем. Мікромазери складаються з потоку атомів, які взаємодіють з електромагнітним полем всередині оптичного резонатора. Енергія в порожнині зростає з послідовними взаємодіями, поки не досягне певного рівня, заряджаючи батарею.
У новій роботі команда IBS-Insubria продемонструвала, що після зарядки мікромазери досягають майже стабільного стану, що означає, що рівень їх енергії не коливається суттєво протягом часових масштабів, що стосуються системи в моделі команди. Це важливо, оскільки дає можливість точно розрахувати час зарядки акумулятора. За допомогою параметрів, використаних у цьому дослідженні, рівноважний рівень досягається приблизно після 30 взаємодій, а енергія залишається стабільною протягом приблизно 1 мільйона подальших взаємодій.
Майже чистий стаціонарний стан
Ще одна перевага цього майже стаціонарного стану полягає в тому, що він приблизно чистий, що дає можливість розглядати стан порожнини незалежно від стану атомів, з якими вона взаємодіяла. Це дивно, тому що після багатьох зіткнень можна було б очікувати, що стан порожнини не буде чистим, що унеможливлює максимізацію кількості енергії, вилученої з батареї, без взаємодії з усіма відкинутими атомами. Однак команда IBS-Insubria показала, що кількість корисної енергії (відома як ерготропія батареї) залишається високою.
Квантова динаміка мікромазера також запобігає перезарядці батареї, каже Даріо Роса, старший науковий співробітник IBS, який керував дослідженням. «В принципі, система може продовжувати збільшувати енергію і може стати нескінченною», — пояснює Роза. «Без будь-якого зовнішнього контролю мікромазер, завдяки своїй власній динаміці, не збільшує свою енергію нескінченно». Це полегшує зарядку батареї та запобігає пошкодженню обладнання через надлишок енергії.
Крім того, нові результати, які команда описує в журналі Квантова наука і технологія, показують, що ці характеристики справедливі в реалістичних умовах (а саме, підвищена зарядна потужність і неточності у фізичних властивостях системи) для підготовки та роботи мікромазера – наближаючи модель корисної батареї до експериментально досяжного.
Перевага суперпозиції
Позитивні результати щодо мікромазерів підтверджуються a пов'язане дослідження групою з Женевського університету, Швейцарія. Під керівництвом Штефана Німмріхтера ця група показала, що один мікромазер може мати перевагу над класичними пристроями у своїй зарядній потужності, якщо атоми потрапляють у порожнину в квантовій суперпозиції. Раніше було відомо лише про те, що потужність заряджання можна покращити порівняно з класичними системами, об’єднавши багато квантових батарей за допомогою квантової заплутаності.
Квантова батарея може отримати приріст від заплутаності
Роза каже, що потрібна подальша робота, щоб краще зрозуміти, як поєднати багато окремих мікромазерів і оптимізувати продуктивність під час масштабування системи. «З іншими акумуляторами ми побачили, що потужність заряджання покращується, коли більше акумуляторів заряджаються разом», — каже він. «Ми хочемо знати, чи мають мікромазери таку властивість».
Щоб зробити модель більш реалістичною, команду зараз цікавить, що відбувається, коли порожнина недосконала, тобто розсіюється деяка кількість енергії. Якщо батарея працює добре за цих умов, зберігаючи функції, які вже спостерігалися в цій роботі, це відкриє двері для потенційної експериментальної співпраці, зокрема з іншими фізиками в Італії або групою в Женеві.
