Nền tảng tiềm năng mới để phát triển pin lượng tử

Khi thế giới tiếp tục tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch hơn và rẻ hơn, một giải pháp khả thi có thể được tìm thấy trong pin lượng tử. Không giống như pin bình thường, các chuyên gia quy định rằng pin lượng tử sẽ tận dụng sự vướng víu để sạc nhanh hơn cũng như thực hiện tốt hơn. Tuy nhiên, việc phát triển những loại pin mới này sẽ không hề dễ dàng, trường điện từ làm tăng thêm sự phức tạp khi cố gắng lưu trữ năng lượng. Để vượt qua thách thức này, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Cơ bản của Hàn Quốc (IBS) đã sử dụng một maser (tương tự vi sóng của laser) để đề xuất một nền tảng mới cho pin lượng tử.

Những thách thức trong trường điện từ

Khi phát triển pin lượng tử, trường điện từ trở thành một vấn đề. Nghiên cứu trước đây đã gợi ý rằng trong khi trường điện từ có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng cho pin, thì có khả năng trường này có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn hơn những gì cần thiết. Về cơ bản, quá trình này sẽ tương tự như một chiếc máy tính xách tay tiếp tục thay đổi nhiều hơn mức được phân bổ. Vì không có cơ chế nào để dừng quá trình sạc này nên nhiều người lo lắng rằng điều này có thể cản trở đáng kể sự phát triển của pin lượng tử.

Cue các Maser

Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu từ IBS đã hợp tác với Phó Giáo sư Giuliano Benenti của Đại học Insubria, Ý, để nghiên cứu động lực học lượng tử bên trong micromaser. Như Benenti đã giải thích: “Trong một micromaser, một maser được vận hành trong đó các nguyên tử đơn lẻ đi ngang qua một bộ cộng hưởng (một khoang chất lượng cao nơi một photon có thể tồn tại trong thời gian dài) cung cấp một máy bơm hiệu quả.” Thay vì sử dụng ánh sáng trong tia laze để kích thích tương tác lượng tử, vi sóng được sử dụng trong maser để tạo ra hiệu ứng tương tự. Trong một mô hình maser, các dòng photon tương tác với trường điện từ, khiến nó tích trữ năng lượng. “Trong nguyên tử, chỉ có hai cấp độ quan trọng,” Benenti nói thêm. “Với liên kết cộng hưởng với khoang cộng hưởng (nghĩa là chênh lệch năng lượng giữa hai mức nguyên tử tính theo đơn vị của hằng số Planck bằng với tần số dao động của trường điện từ trong khoang). Vì vậy, nguyên tử hoạt động giống như một qubit. Khái niệm tương tự giờ đây đã được chuyển sang trạng thái rắn, với các qubit siêu dẫn được kết hợp với trường điện từ dưới dạng ống dẫn sóng.”

Do thiết lập cụ thể, trường điện từ đạt đến một trạng thái ổn định, nơi nó ngừng hấp thụ năng lượng, tạo ra một điểm dừng vật chất cho quá trình sạc. Trạng thái ổn định này cũng cung cấp cho các nhà nghiên cứu thước đo sạc để sử dụng khi phát triển micromaser và giảm khả năng sạc quá mức. Nhờ tính duy nhất của trạng thái ổn định, các nhà nghiên cứu nhận thấy nó ở “trạng thái thuần túy”, nơi micromaser không có ký ức về các qubit được sử dụng trong quá trình sạc. Điều này gợi ý rằng năng lượng được lưu trữ trong trường điện từ có thể được trích xuất bất cứ lúc nào mà không cần theo dõi các qubit được sử dụng trong quy trình.

Khả năng của Pin lượng tử

Với một nền tảng mới đầy tiềm năng cho pin lượng tử, các nhà nghiên cứu hy vọng rằng kết quả của họ có thể được những người khác sử dụng để bắt đầu phát triển công nghệ mới này. Benenti cho biết: “Đáng chú ý, cơ học lượng tử có thể dẫn đến sự cải thiện, đối với pin cổ điển, về khối lượng công việc được ký gửi trên một đơn vị thời gian khi N pin được sạc cùng nhau. “Lợi thế lượng tử này có liên quan đến khả năng tạo ra các trạng thái vướng víu của N pin. Trong các công nghệ tương lai, pin lượng tử có thể giúp quản lý năng lượng hiệu quả ở cấp độ nano, một điểm mấu chốt cho sự phát triển của công nghệ lượng tử.” Benenti không chỉ hào hứng với nền tảng mới mà thậm chí còn gợi ý cách nó có thể được sử dụng bởi các công ty điện toán lượng tử hiện tại. “Một thiết lập khả thi có thể được sử dụng cho nguyên mẫu máy tính lượng tử (IBMQ, Google, Rigetti…) dựa trên qubit siêu dẫn, kết hợp với ống dẫn sóng (chế độ khoang),” ông nói thêm. Với những tiến bộ trong các loại nền tảng này, pin lượng tử có thể trở thành hiện thực sớm hơn dự kiến.

Kenna Hughes-Castleberry là nhà văn nhân viên của Inside Quantum Technology và Science Communicator tại JILA (hợp tác giữa Đại học Colorado Boulder và NIST). Những nhịp điệu viết lách của cô ấy bao gồm công nghệ sâu, siêu nghịch đảo và công nghệ lượng tử.