Quantumcomputers bieden het potentieel om computationele problemen op te lossen die buiten het bereik van klassieke computers liggen. Zo beweerde het Canadese bedrijf Xanadu onlangs dat zijn kwantumcomputer in staat was om in slechts 36 microseconden een rekentaak op te lossen die 9.000 jaar zou hebben geduurd met behulp van ultramoderne supercomputers.

Quantumtechnologieën hebben echter energie nodig om te kunnen werken. Deze eenvoudige overweging heeft ertoe geleid dat onderzoekers het idee van kwantumbatterijen hebben ontwikkeld, dit zijn kwantummechanische systemen die worden gebruikt als apparaten voor energieopslag. Onlangs hebben onderzoekers van het Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) binnen het Institute for Basic Science (IBS), Zuid-Korea, de mogelijke laadprestaties van een kwantumbatterij streng kunnen beperken.

Concreet lieten ze zien dat een verzameling kwantumbatterijen kan leiden tot een enorme verbetering van de laadsnelheid ten opzichte van een klassiek laadprotocol. Dit is te danken aan kwantumeffecten, waardoor de cellen in kwantumbatterijen tegelijkertijd kunnen worden opgeladen.

Ondanks deze theoretische prestaties zijn de experimentele realisaties van kwantumbatterijen nog steeds schaars. Het enige recente opmerkelijke tegenvoorbeeld gebruikte een verzameling systemen op twee niveaus (zeer vergelijkbaar met de zojuist geïntroduceerde qubits) voor energieopslagdoeleinden, waarbij de energie werd geleverd door een elektromagnetisch veld (een laser).

Gezien de huidige situatie is het duidelijk van het grootste belang om nieuwe en beter toegankelijke kwantumplatforms te vinden die kunnen worden gebruikt als kwantumbatterijen. Met deze motivatie in gedachten hebben onderzoekers van hetzelfde IBS PCS-team, in samenwerking met Giuliano Benenti (Universiteit van Insubria, Italië), onlangs besloten om een ​​kwantummechanisch systeem dat in het verleden zwaar is bestudeerd, opnieuw te bekijken:de micromaser.

Micromaser is een systeem waarbij een bundel atomen wordt gebruikt om fotonen in een holte te pompen. Simpel gezegd, een micromaser kan worden gezien als een configuratie die lijkt op het experimentele model van de kwantumbatterij die hierboven is genoemd:de energie wordt opgeslagen in het elektromagnetische veld, dat wordt opgeladen door een stroom qubits die er sequentieel mee in wisselwerking staan.

De IBS PCS-onderzoekers en hun medewerker toonden aan dat micromasers functies hebben waarmee ze kunnen dienen als uitstekende modellen van kwantumbatterijen. Een van de grootste zorgen bij het gebruik van een elektromagnetisch veld om energie op te slaan, is dat het elektromagnetische veld in principe een enorme hoeveelheid energie kan absorberen, mogelijk veel meer dan nodig is. Een analogie met een eenvoudig geval, dit zou overeenkomen met een telefoonbatterij die, wanneer aangesloten, zijn lading voor onbepaalde tijd blijft verhogen. In een dergelijk scenario kan het erg riskant zijn om te vergeten dat de telefoon is aangesloten, omdat er geen mechanisme zou zijn om het opladen te stoppen.

Gelukkig laten de numerieke resultaten van het team zien dat dit niet kan gebeuren in micromasers. Het elektromagnetische veld bereikt snel een definitieve configuratie (technisch een stabiele toestand genoemd), waarvan de energie a priori kan worden bepaald en beslist bij het bouwen van de micromaser. Deze eigenschap zorgt voor bescherming tegen de risico's van overladen.

Daarnaast toonden de onderzoekers aan dat de uiteindelijke configuratie van het elektromagnetische veld zich in een pure staat bevindt, wat betekent dat het geen herinnering oproept aan de qubits die tijdens het opladen zijn gebruikt. Deze laatste eigenschap is vooral cruciaal bij het omgaan met een kwantumbatterij. Het zorgt ervoor dat alle energie die in de batterij is opgeslagen, kan worden onttrokken en gebruikt wanneer dat nodig is, zonder dat de qubits hoeven te worden bijgehouden die tijdens het laadproces worden gebruikt.

Ten slotte werd aangetoond dat deze aantrekkelijke kenmerken robuust zijn en niet worden vernietigd door de specifieke parameters die in deze studie zijn gedefinieerd te wijzigen. Deze eigenschap is duidelijk van belang bij het bouwen van een echte kwantumbatterij, omdat onvolkomenheden in het bouwproces gewoon onvermijdelijk zijn.

Interessant is dat Stefan Nimmrichter en zijn medewerkers in een parallelle reeks artikelen hebben aangetoond dat kwantumeffecten het laadproces van de micromaser sneller kunnen maken dan klassiek laden. Met andere woorden, ze hebben de aanwezigheid van het eerder genoemde kwantumvoordeel kunnen aantonen tijdens het opladen van een micromaser-batterij.

Al deze resultaten suggereren dat micromaser kan worden beschouwd als een veelbelovend nieuw platform dat kan worden gebruikt om kwantumbatterijen te bouwen. Het feit dat deze systemen al vele jaren in experimentele realisaties worden geïmplementeerd, zou een serieuze impuls kunnen geven aan het bouwen van nieuwe toegankelijke prototypes van kwantumbatterijen.

Daartoe starten de IBS PCS-onderzoekers en Giuliano Benenti momenteel een samenwerking met Stefan Nimmrichter en zijn medewerkers om deze veelbelovende modellen verder te onderzoeken. De hoop is dat deze nieuwe onderzoekssamenwerking eindelijk in staat zal zijn om de prestaties van op micromaser gebaseerde kwantumbatterijapparaten te benchmarken en experimenteel te testen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Quantum Science and Technology . + Verder verkennen

Superabsorptie ontgrendelt de sleutel tot de volgende generatie kwantumbatterijen