Батареи, основанные на квантовой природе заряженных частиц, могут произвести революцию в сфере хранения энергии. Они способны вместить больше энергии и заряжаться быстрее, чем традиционные электрохимические аккумуляторы.
Новый протокол, разработанный командой физиков из Национального университета Чен Кун (Тайвань), может преобразовать теоретические принципы сверхбыстрой квантовой батареи в практическую систему. Ученые продемонстрировали, как суперпозицию батареи можно использовать для эффективного и скоростного накопления энергии.
В основе квантовой физики лежит принцип, согласно которому все частицы материи обладают волновой природой, распространяющейся в пространстве и времени. Как бы парадоксально это ни звучало, эти волны представляют свойства объекта – будь то электрон, молекула, кот или целая планета – как спектр возможностей, называемый суперпозицией.
В последние годы исследователи задумались, имеют ли один или несколько объектов в суперпозиции что-то общее с хаотичным движением и отскоком нагретого материала в двигателе. Использование этого квантового явления может даже открыть новые способы передачи и хранения энергии.
В принципе, это хорошая идея, но преобразование теории квантовых тепловых двигателей в работающее устройство требует определения подходящих процессов, которые не тратят впустую много энергии.
Ученые экспериментально оценили два подхода к использованию суперпозиции частицы для зарядки гипотетической квантовой батареи, чтобы определить, действительно ли ее нечетко состояние переносит энергию.
Вместо реальной батареи команда использовала захваченный ион в суперпозиционном состоянии, известном как кубит. Он может получать энергию, проходя через отражающее пространство, ограничивающее типы проходящих через него волн.
Отправив ион через устройство, разделяющее его волну на два луча, команда сравнила способность батареи хранить энергию, когда отдельные волны проходят через несколько точек входа в одну полость, а затем в несколько полостей.
Они не только обнаружили, что суперпозиция иона действительно может обеспечить эффективную зарядку, но и выяснили, что подход “много дверей – одна комната” вызывает эффект интерференции, который теоретически может привести к тому, что они называют “феноменом идеальной зарядки”, который позволяет полностью преобразовать запасенную энергию в работу от квантовой батареи в любой момент процесса зарядки.
Они также продемонстрировали масштабируемость процесса: эффект интерференции сохраняется даже при отправке через полость более одного кубита.
Проведя эксперимент на квантовых платформах IBM и IonQ, команда представила доказательство концепции своего протокола, показав, что подобная система может стать энергоэффективным способом быстрой зарядки и извлечения энергии из квантовой системы.
Хотя кубит способен имитировать фундаментальную физику, для практической реализации протокола в виде батарейки потребуются новые методы. Поэтому быстрая зарядка электробайка в одно мгновение пока остается фантастикой.
Тем не менее, эксперимент доказывает, что законы физики не запрещают использовать квантовый ландшафт для создания долговечных и быстрозаряжающихся накопителей энергии.
По мере отказа мира от ископаемого топлива и увеличения спроса на хранение электроэнергии от возобновляемых источников эффективные батареи, способные быстро аккумулировать и удерживать огромные объемы энергии, станут всё более востребованными.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.
Читайте также: Невероятная математика может остановить квантовых хакеров, но ее мало кто понимает
