Исследователи из Центра квантовых вычислений RIKEN и Хуачжунского университета науки и техники провели теоретический анализ, демонстрирующий, как можно эффективно спроектировать «топологическую квантовую батарею» — инновационное устройство, использующее топологические свойства фотонных волноводов и квантовые эффекты двухуровневых атомов. Работа [опубликована](https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.180401) в журнале Physical Review Letters и обещает применение в области хранения энергии на наноуровне, оптической квантовой связи и распределённых квантовых вычислений.
Важность развития новых источников энергии
С ростом глобального осознания важности экологической устойчивости разработка накопителей энергии следующего поколения стала критически важной задачей. Квантовые батареи — гипотетические миниатюрные устройства, которые, в отличие от классических батарей, накапливающих энергию за счёт химических реакций, используют квантовые свойства, такие как суперпозиция, запутанность и когерентность, — могут повысить эффективность хранения и передачи энергии.
С точки зрения механизма работы, они предлагают потенциальные преимущества перед классическими батареями, включая улучшенную мощность зарядки, увеличенную ёмкость и более высокую эффективность извлечения работы.
Препятствия на пути практической реализации квантовых батарей
Хотя были выдвинуты различные предложения по созданию квантовых батарей, их практическая реализация остаётся сложной задачей. В практических сценариях, связанных с удалённой зарядкой и энергетическими потерями, квантовые батареи значительно страдают от декогеренции — процесса, при котором квантовая система теряет свои ключевые свойства, такие как запутанность и суперпозиция, что приводит к неоптимальной работе.
В фотонных системах, использующих нетопологические волноводы (например, волноводы, которые изгибаются и влияют на движение фотонов), эффективность хранения энергии значительно снижается из-за дисперсии фотонов внутри волновода. Другие препятствия включают экологические потери, шум и беспорядок, которые также вызывают декогеренцию и ухудшают работу батарей.
Решение двух давних проблем
В текущем исследовании совместная исследовательская группа использовала аналитические и численные методы в теоретической основе для решения двух давних проблем, препятствующих практической работе квантовых батарей.
Используя топологические свойства — особенности материала, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях, таких как скручивание или изгиб, — они продемонстрировали возможность достижения идеальной зарядки на большие расстояния и устойчивости к диссипации квантовых батарей.
Удивительно, но они обнаружили, что диссипация, обычно считающаяся вредной для работы батарей, также может быть использована для кратковременного повышения мощности зарядки квантовых батарей.
Они продемонстрировали несколько ключевых преимуществ, которые могут сделать топологические квантовые батареи пригодными для практического применения. Одним из важнейших выводов стало то, что можно достичь почти идеального переноса энергии, используя топологические свойства фотонных волноводов.
Другой важный вывод заключается в том, что, когда зарядное устройство и батарея размещены в одном месте, система демонстрирует устойчивость к диссипации, ограниченную одной подрешёткой.
Кроме того, исследовательская группа обнаружила, что, когда диссипация превышает критический порог, мощность зарядки претерпевает кратковременное усиление, нарушая общепринятое мнение о том, что диссипация всегда препятствует работе.
«Наше исследование предоставляет новые идеи с топологической точки зрения и даёт нам намёки на реализацию высокопроизводительных устройств хранения микроэнергии. Преодолевая ограничения практической производительности квантовых батарей, вызванные передачей энергии на большие расстояния и диссипацией, мы надеемся ускорить переход от теории к практическому применению квантовых батарей», — сказал Чжи-Гуан Лу, первый автор исследования.
«Заглядывая вперёд, — говорит Чэн Шан, ответственный автор международной исследовательской группы, — мы продолжим работать над преодолением разрыва между теоретическими исследованиями и практическим внедрением квантовых устройств, открывая эру квантовых технологий, которую мы давно себе представляли».
Предоставлено [RIKEN](https://phys.org/partners/riken/)