Зачем позволять таким мелочам, как причинно-следственные связи, мешать зарядке аккумуляторов?
Батареи, использующие квантовые явления, которые, кажется, смеются над нашим обычным пониманием законов физики, могут быть использованы для хранения энергии. Хотя такие батареи пока создаются в очень маленьких масштабах в условиях лабораторий, однажды они могут обеспечить преимущества перед обычными батареями, которые сделают их предпочтительным выбором, по крайней мере, в некоторых отраслях.
От миниатюрных медицинских устройств до резервных сетей с переменными источниками энергии – хранение энергии является одной из важнейших задач нашего времени. Быстрая и эффективная зарядка является частью этой задачи. Несмотря на то, что квантовые эффекты, по определению, проявляются в очень малых масштабах, аспирант Токийского университета Юаньбо Чен входит в состав команды, которая надеется, что они смогут существенно изменить некоторые аспекты этой проблемы.
“Нынешние батареи для маломощных устройств – смартфоны или датчики – обычно используют химические вещества, такие как литий, для хранения заряда, в то время как квантовая батарея использует микроскопические частицы, такие как массивы атомов”, – говорится в заявлении Чена. “В то время как химические батареи подчиняются классическим законам физики, микроскопические частицы являются квантовыми по своей природе, поэтому у нас есть шанс изучить способы их использования, которые могут изменить или даже сломать наши интуитивные представления о том, что происходит на малых масштабах. Меня особенно интересует то, как квантовые частицы могут нарушать одно из самых фундаментальных наших представлений – о времени”.
В классической физике причинность может работать только в одном направлении: причина предшествует следствию. Даже квантовая физика, которая так часто отказывается подчиняться кажущимся нерушимыми законам физики, обычно соблюдает этот закон. То есть, чтобы наступило “Б”, сначала должно произойти “A”.
Однако Чен является частью команды, которая доказала, что это не обязательно так. Они продемонстрировали, что можно создать суперпозицию состояний, в которых А наступает раньше Б и, следовательно, может быть причиной его возникновения, и где Б предшествует А. Это пример неопределенного причинно-следственного порядка (ICO).
Это означает, что вместо того, чтобы квантовая батарея заряжалась сначала одним зарядным устройством, а затем другим, она может заряжаться суперпозицией обоих. Более того, когда это произойдет, результаты, которые обычно должны быть противопоставлены друг другу, улучшаются вместе. “Наши результаты показывают, что можно одновременно увеличить и количество заряженной энергии, и тепловую эффективность”, – пишут Чен и его коллеги.
“С помощью ICO мы продемонстрировали, что способ зарядки батареи, состоящей из квантовых частиц, может радикально повлиять на ее производительность”, – говорит Чен. “Мы увидели огромный прирост как энергии, запасенной в системе, так и тепловой эффективности. И, как ни странно, мы обнаружили удивительный эффект взаимодействия, обратного тому, что обычно ожидают: зарядное устройство меньшей мощности может обеспечить более высокую энергию с большей эффективностью, чем сравнительно более мощное зарядное устройство”.
Для этого команда использовала квантовый переключатель, который “можно рассматривать как устройство, которое принимает на вход два канала и, в зависимости от состояния порядкового кубита, выдает суперпозицию каналов в разных причинно-следственных порядках”.
Многие наши устройства хранения данных должны быть портативными, а система ICO, созданная командой, таковой не является. Для создания квантовых эффектов она полагается на лазеры, отраженные от зеркал и линз, рассеивающих луч. Это не то, что вы сможете или захотите положить в карман. Однако если в чем наше общество и преуспело за последние десятилетия, так это в миниатюризации, и команда надеется, что то же самое будет справедливо и для их работы.
Улучшение качества хранения – не единственный способ, которым, по мнению команды, ICO может помочь энергетической революции. Солнечные панели теряют свою эффективность по мере нагревания, что создает очевидные проблемы для техники, которая должна находиться под прямыми солнечными лучами. Большинство решений предполагает размещение солнечных батарей над радиаторами, например, с холодной водой, но команда считает, что может использовать ICO для решения этой проблемы. Ученые уже работают над квантовыми холодильниками, использующими ICO.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Читайте также: Квантовое преимущество: физик объясняет будущее компьютеров