В ближайшие годы крошечные, но мощные батареи могут радикально изменить работу смартфонов, суперкомпьютеров и других высокотехнологичных устройств. Исследования, проведённые специалистами из Центра квантовых вычислений RIKEN и Университета науки и технологий Хуачжун, представляют новый подход к хранению энергии — топологические квантовые батареи.
Как это работает
Квантовые батареи — это принципиально новый тип накопителей энергии, основанный на законах квантовой физики, таких как суперпозиция, запутанность и когерентность. В отличие от обычных химических аккумуляторов, квантовые батареи обещают сверхбыструю зарядку, высокую эффективность и большую ёмкость.
Однако их разработка сталкивается с рядом проблем, среди которых ключевые — потеря энергии и декогеренция (разрушение квантовых состояний). Эти явления особенно затрудняют дистанционную зарядку и использование батарей в средах с высоким уровнем рассеивания энергии.
Новое исследование решает эту проблему с помощью топологических свойств — характеристик материалов, которые сохраняются при деформации (например, при изгибе или растяжении). Учёные объединили эти свойства фотонных волноводов с квантовыми эффектами двухуровневых атомов, что позволило создать модель квантовой батареи, устойчивой к рассеянию энергии даже при зарядке на расстоянии.
Зачем это нужно
С ростом мирового спроса на энергию и ограничениями традиционных аккумуляторов всё острее встаёт вопрос о новых, более эффективных способах её хранения. Топологические квантовые батареи могут стать прорывом, особенно в области наноразмерного хранения энергии и квантовой оптической связи, обеспечивая сверхбезопасную передачу данных на большие расстояния.
Более того, исследование показало неожиданный эффект: диссипация энергии, обычно вредная для квантовых устройств, в некоторых случаях может временно усиливать мощность зарядки.
Разработка квантовых батарей активно продолжается. Например, в феврале команда CSIRO представила прототип устройства, в котором органические молекулы, заключённые между зеркалами в микрокавитете, накапливают энергию от лазерного света. А ранее учёные из Университета Генуи предложили батарею, основанную на спинах электронов — ещё одной квантовой особенности.
Авторы из RIKEN планируют и дальше продвигать теоретические разработки к практическому применению.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
