Het Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) -model, een exact oplosbaar model bedacht door Subir Sachdev en Jinwu Ye, is onlangs nuttig gebleken voor het begrijpen van de kenmerken van verschillende soorten materie. Omdat het kwantummaterie beschrijft zonder quasideeltjes en tegelijkertijd een holografische versie is van een kwantumzwart gat, het is tot dusver aangenomen door zowel gecondenseerde materie als hoge-energiefysici.

Onderzoekers van de Universiteit van Pisa en het Italiaanse Instituut voor Technologie (IIT) hebben onlangs het SYK-model gebruikt om de oplaadprotocollen van kwantumbatterijen te onderzoeken. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , biedt bewijs van het potentieel van kwantummechanische middelen voor het stimuleren van het laadproces van batterijen.

"Eerdere theoretische studies legden het idee vast dat verstrengeling kan worden gebruikt om het laadproces van een kwantumbatterij aanzienlijk te versnellen, "Davide Rossini en Gian Marcello Andolina, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org, via e-mail. "Echter, een concreet solid-state model dat zo'n snel opladen weergeeft, ontbrak, tot nu."

Rossini, Andolina en hun collega's realiseerden zich dat het SYK-model een goede kandidaat is om het snellaadproces van kwantumbatterijen te onderzoeken, omdat het bekend staat om zeer verstrengelde dynamiek te genereren. De veel-body van het model, realtime dynamiek is uiteindelijk voldoende complex om beter te presteren dan standaard analytische benaderingen.

"Voor onze doeleinden we vonden het handig om een ​​numerieke behandeling toe te passen op basis van de exacte diagonalisatie van enorme matrices, Rossini en Andolina legden uit. "Zo hebben we uitgebreide numerieke simulaties uitgevoerd, tot 100 Gb geheugen en ongeveer twee weken rekentijd nodig hebben, op een high-performance computing-cluster voor wetenschappelijke doeleinden."

Het model dat de onderzoekers gebruiken is het eerste dat duidelijk een kwantumvoordeel in de laadsnelheid van kwantumbatterijen schetst. Hoewel dit model bijzonder moeilijk te gebruiken is in laboratoriumomgevingen, het recente werk van Rossini, Andolina en hun collega's waren een eerste en belangrijke stap in de richting van het verzamelen van experimenteel bewijs van dit kwantumvoordeel.

"Een batterij is een nogal gecompliceerde machine, die men snel wil opladen, die energie voor een lange tijd moet opslaan en uiteindelijk nuttig werk moet leveren, "Zeggen Rossini en Andolina. "Hoewel we hebben bewezen dat kwantummechanische bronnen het laadproces kunnen stimuleren, het is nog steeds onduidelijk of ze kunnen worden gebruikt om andere taken van zo'n hypothetische kwantumbatterij te verbeteren, dus het onderzoek naar kwantumbatterijen staat nog in de kinderschoenen."

De recente studie van Rossini, Andolina en hun collega's bieden sterk numeriek bewijs dat wijst op het voordeel van het toepassen van kwantummechanische krachten in batterijen, die mogelijk wordt gemaakt door de onderliggende sterk verstrengelde kwantumdynamica. In de toekomst, het zou de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van meer batterijen die sneller kunnen worden opgeladen.

"Een interessante mogelijke toevoeging aan ons werk zou zijn om dezelfde concepten toe te passen op thermische motoren, Rossini zei. "Sinds de 18e eeuw, het [is] bekend dat de efficiëntie van een thermische motor een universele waarde die bekend staat als de Carnot-grens niet kan overschrijden. Daarom, het is duidelijk dat kwantummechanische middelen niet kunnen worden gebruikt om de efficiëntie te verbeteren. Echter, geen universele grens bestaat met betrekking tot de macht, en we zijn van plan een op SYK gebaseerde thermische motor te bestuderen om dit probleem verder te onderzoeken."

© 2021 Science X Network