Как физиците превръщат научната фантастика в реалност.

Изследователи от Центъра за квантови изчисления на RIKEN и Университета за наука и технологии в Хуажун представиха теоретичен анализ, който показва как ефективно може да се проектира „топологична квантова батерия“ – обещаващо устройство, което използва топологичните свойства на фотонните вълноводи и квантовите ефекти на атомите с две нива. Работата е публикувана в Physical Review Letters и открива нови възможности за съхранение на енергията в наномащаб, оптични квантови комуникации и разпределени квантови изчисления.

На фона на нарастващата глобална тревога за екологичната устойчивост, създаването на нови системи за съхранение на енергия се превръща в ключово предизвикателство. Квантовите батерии – хипотетични миниатюрни устройства, които за разлика от класическите батерии, базирани на химични реакции, използват квантови ефекти като суперпозиция, заплитане и кохерентност – обещават качествено нови възможности за съхранение и пренос на енергията.

От гледна точка на принципа на работа тези батерии потенциално превъзхождат класическите батерии по редица показатели: те могат да осигурят по-висока мощност на зареждане, по-голям капацитет и по-ефективно извличане на енергията.

Въпреки че през последните години се появиха много теоретични концепции за квантови батерии, тяхната практическа реализация все още е далеч. Основните пречки са загубата на енергия и декохерентността, т.е. загубата на квантовите свойства на системата (напр. заплитането и суперпозицията) поради взаимодействието с външната среда. Тези ефекти водят до влошаване на производителността и загуба на енергия, което е от особено значение за зареждането.

Във фотонните системи, използващи конвенционални (нетопологични) вълноводи, всякакви изкривявания – като например огъване на вълновода – водят до разсейване на фотоните и драстично намаляване ефективността на съхранение на енергията. Освен това батериите се влияят неблагоприятно от шума и смущенията в системата, които причиняват декохерентност и намаляват ефективността им.

В новото изследване екипът от учени предлага теоретичен модел и извършва изчисления, които решават два ключови проблема, възпрепятстващи прехода към практическо използване на квантовите батерии. Използвайки топологичните свойства – т.е. характеристиките на материалите, които се запазват при деформация, огъване и усукване – изследователите доказаха възможността за идеално дистанционно зареждане и защита от загуба на енергия.

Неочаквано се оказа, че дисипацията – процес, който обикновено се смята за вреден за батериите – може временно да увеличи мощността на зареждане, а не само да я намалява. Учените демонстрираха предимствата на топологичните квантови батерии, които потенциално ги правят подходящи за реални приложения. Например, те са успели да постигнат почти перфектен трансфер на енергия благодарение на топологичните свойства на фотонните вълноводи.

Освен това, когато зарядното устройство и батерията се намират в една и съща точка, системата е устойчива на загуби на енергия в рамките на определена подсистема. Изследователите също така показаха: ако загубите надхвърлят критично ниво, се наблюдава краткотраен скок в мощността на зареждане – противно на общоприетото схващане, че всякакви загуби винаги са вредни.

„Нашето изследване дава един нов поглед върху проблема от топологична гледна точка и предлага начини за създаване на ефективни миниатюрни устройства за съхранение на енергия. Надяваме се, че тези резултати ще помогнат за преодоляване на практическите ограничения, свързани с отдалечения пренос на енергия и загубите на енергия, и ще приближат появата на квантовите батерии в реалните технологии“, казва Жи-Гуанг Лу, първи автор на статията.

„Занапред ще работим за преодоляване на пропастта между теорията и практиката, за да може мечтата за квантовата ера най-накрая да стане реалност“ – добавя ръководителят на международния изследователски екип Ченг Шанг.