Исследователи из института фундаментальных наук в Южной Корее в сотрудничестве с Джулиано Бененти из Университета Инсубрии в Италии недавно пересмотрели квантово-механическую систему для зарядки батарей, которая активно изучалась в прошлом. Речь идет о микромазере.
Микромазер — это система, в которой пучок атомов используется для накачки фотонов в полость. Проще говоря, микромазер можно представить как зеркальную конфигурацию экспериментальной модели квантовой батареи: энергия запасается в электромагнитном поле, которое заряжается потоком последовательно взаимодействующих с ним кубитов. Корейские и итальянские исследователи показали, что микромазеры обладают свойствами, которые делают их идеальными моделями квантовых батарей.
Одна из основных проблем использования электромагнитного поля для хранения энергии заключается в том, что оно поглощает огромное количество энергии, больше, чем надо. Это как аккумулятор телефона, который при подключении к сети заряжается бесконечно. В таком случае забыть о том, что смартфон подключен к сети — очень опасно, нет механизма, который остановит процесс.
Два примера «квантовых телефонов», оба заряжаются квантовыми батареями на основе электромагнитных полей. Слева: протокол зарядки без использования микромазера приводит к неконтролируемой зарядке аккумулятора с возможными повреждениями. Справа: протокол зарядки на основе микромазеров способен самостоятельно контролировать количество заряда, вложенного в квантовый телефон. Предоставлено: Институт фундаментальных наук
Однако численные результаты ученых показали, что такая ситуация невозможна в микромазерах. Электромагнитное поле быстро достигает конечной конфигурации (технически называемой устойчивым состоянием), энергия которого определена априори при построении микромазера. Это свойство обеспечивает защиту от рисков перезарядки.
Также ученые выяснили, что окончательная конфигурация электромагнитного поля находится в чистом состоянии. Это значит, что оно не «приносит» память о кубитах, которые использовались во время зарядки. Последнее свойство особенно важно при работе с квантовой батареей. Это гарантирует, что всю ее энергию можно извлечь и использовать при необходимости. Отслеживать кубиты, используемые в процессе зарядки, не нужно.
Ранее исследователи из Центра теоретической физики сложных систем в Южной Корее установили жесткие ограничения на возможную производительность зарядки квантовой батареи. В частности, они показали, что набор квантовых батарей приведет к значительному увеличению скорости зарядки. Особенно, если сравнивать с классическим протоколом. Это возможно благодаря квантовым эффектам, которые позволяют одновременно заряжать элементы квантовых батарей.
Несмотря на эти теоретические достижения, экспериментальных реализаций квантовых батарей все еще мало. В единственном недавнем известном контрпримере использовался набор двухуровневых систем (очень похожих на кубиты) для хранения энергии. При этом энергия обеспечивалась электромагнитным полем (лазер).
