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.

Квантовые компьютеры позволяют решать вычислительные задачи, недоступные классическим компьютерам. Например, канадская компания Xanadu недавно заявила, что ее квантовый компьютер смог решить всего за 36 микросекунд вычислительную задачу, для решения которой потребовалось бы 9000 лет с использованием современных суперкомпьютеров.
Однако квантовым технологиям для работы нужна энергия. Это простое соображение привело исследователей к разработке идеи квантовых батарей, которые представляют собой квантово-механические системы, используемые в качестве накопителей энергии. Недавно исследователи из Центра теоретической физики сложных систем (PCS) Института фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее смогли установить жесткие ограничения на возможную производительность зарядки квантовой батареи.

В частности, они показали, что набор квантовых батарей может привести к значительному увеличению скорости зарядки по сравнению с классическим протоколом зарядки. Это происходит 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 только что представленные кубиты) для хранения энергии, при этом энергия обеспечивалась электромагнитным полем (лазер).

Учитывая текущую ситуацию, крайне важно найти новые и более доступные квантовые платформы, которые можно было бы использовать в качестве квантовых батарей. Имея в виду эту мотивацию, исследователи из той же группы IBS PCS, работающие в сотрудничестве с Джулиано Бененти (Университет Инсубрии, Италия), недавно решили пересмотреть квантово-механическую систему, которая активно изучалась в прошлом: микромазер.

Микромазер — это система, в которой пучок атомов используется для накачки фотонов в полость. Проще говоря, микромазер можно представить как зеркальную конфигурацию упомянутой выше экспериментальной модели квантовой батареи: энергия запасается в электромагнитном поле, которое заряжается потоком последовательно взаимодействующих с ним кубитов.

Исследователи из IBS PCS и их коллеги показали, что микромазеры обладают свойствами, которые позволяют им служить отличными моделями квантовых батарей. Одна из основных проблем при попытке использовать электромагнитное поле для хранения энергии заключается в том, что в принципе электромагнитное поле может поглощать огромное количество энергии, потенциально намного больше, чем необходимо. Проводя аналогию с простым случаем, это будет соответствовать аккумулятору телефона, который при подключении к сети продолжает бесконечно увеличивать свой заряд. В таком случае забыть о том, что телефон подключен к сети, может быть чрезвычайно рискованно, поскольку не будет механизма, позволяющего остановить зарядку.

К счастью, численные результаты команды показывают, что это не может произойти в микромазерах. Электромагнитное поле быстро достигает конечной конфигурации (технически называемой устойчивым состоянием), энергия которого может быть определена и определена априори при построении микромазера. Это свойство обеспечивает защиту от рисков перезарядки.

Кроме того, исследователи показали, что окончательная конфигурация электромагнитного поля находится в чистом состоянии, а это значит, что оно не приносит памяти о кубитах, которые использовались во время зарядки. Последнее свойство особенно важно при работе с квантовой батареей. Это гарантирует, что вся энергия, хранящаяся в батарее, может быть извлечена и использована в любое время без необходимости отслеживать кубиты, используемые в процессе зарядки.

Наконец, было показано, что эти привлекательные функции являются надежными и не разрушаются при изменении конкретных параметров, определенных в этом исследовании. Это свойство имеет большое значение при попытке построить настоящую квантовую батарею, поскольку несовершенства в процессе сборки просто неизбежны.

Интересно, что в параллельной серии статей Стефан Ниммрихтер и его сотрудники показали, что квантовые эффекты могут ускорить процесс зарядки микромазера по сравнению с классической зарядкой. Другими словами, им удалось показать наличие ранее упомянутого квантового преимущества при зарядке микромазерной батареи.

Все эти результаты позволяют предположить, что микромазер можно рассматривать как новую многообещающую платформу, которую можно использовать для создания квантовых батарей. Тот факт, что эти системы уже много лет находятся в экспериментальных реализациях, может дать серьезный толчок в создании новых доступных прототипов квантовых батарей.

С этой целью исследователи IBS PCS и Джулиано Бененти в настоящее время начинают совместное сотрудничество со Стефаном Ниммрихтером и его сотрудниками для дальнейшего изучения этих многообещающих моделей. Есть надежда, что это новое исследовательское сотрудничество, наконец, сможет протестировать и экспериментально протестировать характеристики квантовых аккумуляторных устройств на основе микромазера.

Исследование было опубликовано в Quantum Science and Technology.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org