Квантовые батареи (QBs) — это устройства для хранения энергии, которые могут служить альтернативой классическим батареям, потенциально заряжаясь быстрее и обеспечивая извлечение большего количества энергии. В отличие от существующих батарей, в квантовых батареях используются эффекты, основанные на квантовой механике, такие как запутанность и суперпозиция.
Однако, несмотря на перспективы, квантовые батареи пока не достигли оптимальных характеристик, отчасти из-за того, что они подвержены декогеренции. Декогеренция — это потеря когерентности (то есть способности квантовых систем существовать в суперпозиции множества состояний), вызванная взаимодействием системы с окружающей средой.
Декогеренция приводит к тому, что квантовые батареи самопроизвольно начинают выделять энергию, которую они хранят. Этот процесс саморазряда до сих пор препятствовал практическому применению батарей.
Исследователи из Университета Хубэй, Академии инноваций в области прецизионных измерений науки и технологий, Китайской академии наук и Ланьчжоуского университета недавно представили новую схему, которая может уменьшить саморазряд в квантовых батареях. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, представляет новую конструкцию квантовой батареи, в которой дефект в алмазе, а именно азот-вакансионный центр, служит средой для хранения энергии.
«Революция в области квантовых технологий уже идёт, — говорит один из авторов статьи Цзюнь-Хонг Ан. — В ней используются квантовые ресурсы для преодоления различных ограничений устройств, установленных классической физикой».
«По мере развития и более широкого использования квантовых технологий люди становятся лучше в обнаружении, обработке и защите информации. Помимо „информации“, квантовые технологии всё больше фокусируются на теме „энергии“. Это привело к появлению области квантовой термодинамики».
Теоретические исследования показывают, что квантовые батареи могут иметь заметные преимущества перед классическими аналогами. В частности, они могут демонстрировать более высокую мощность зарядки, большую ёмкость зарядки и больший объём извлекаемой работы, что обеспечивается квантовыми эффектами и специфическими методами изготовления на атомном уровне.
«Практическая реализация и применение квантовых батарей сталкиваются с двумя основными проблемами, — говорит Ан. — Одна из них — снижение эффективности зарядки из-за декогеренции во время процесса зарядки. Другая — спонтанная потеря энергии, называемая саморазрядом, вызванная декогеренцией во время процесса хранения. Поэтому вопрос о том, как преодолеть эти проблемы, является ключевым в области квантовых батарей».
В более ранней статье, опубликованной в 2024 году, исследователи пытались преодолеть первый общий недостаток квантовых батарей, а именно снижение их эффективности зарядки, используя недавно разработанный протокол борьбы со старением и беспроводной зарядки. Основываясь на этой более ранней статье, они теперь намереваются также уменьшить процессы саморазряда, наблюдаемые во многих ранее разработанных квантовых батареях.
«Было предложено несколько схем для подавления саморазряда квантовых батарей, но они требуют квантового зарядного устройства, — объясняет Ан. — Однако запутанность зарядного устройства и батареи снижает эрготропию квантовых батарей. В отличие от этих схем мы предлагаем революционное решение: квантовую батарею, основанную на азот-вакансионном (NV) центре алмаза, который внутренне подавляет саморазряд без вмешательства зарядного устройства. Электронный спин NV-центра используется в качестве квантовой батареи».
Исследователи обнаружили, что когерентная энергия, хранящаяся в их квантовой батарее (то есть когерентная эрготропия), распадалась медленнее, чем некогерентная энергия, во время процесса хранения. Вдохновлённые этим наблюдением, они определили механизм, который может повысить устойчивость их батареи к саморазряду за счёт увеличения отношения когерентной эрготропии к общей эрготропии, хранящейся в батарее.
«Основное преимущество нашей схемы квантовой батареи в NV-центре заключается в том, что уникальное сверхтонкое взаимодействие между электроном и ядром 14N, которого нет на других платформах, позволяет нам когерентно оптимизировать это соотношение, — говорит Ан. — Это незаменимая особенность нашей схемы квантовой батареи в NV-центре. Эта незаменимость даёт нам возможность, с одной стороны, уменьшить саморазряд, а с другой — максимизировать извлекаемую работу».
В ходе первоначальных испытаний квантовая батарея, представленная Аном и его коллегами, оказалась менее подвержена саморазряду, вызванному декогеренцией, чем квантовые батареи, которые они создавали в прошлом. Примечательно, что в их статье также представлена многообещающая экспериментальная платформа для извлечения работы в открытых квантовых системах, которая может быть использована другими группами в будущих исследованиях.
«В рамках нашего исследования мы интегрировали твердотельную платформу с быстро развивающейся областью квантовой термодинамики, — говорит Ан. — Поэтому, объединив теоретические идеи с экспериментально осуществимой системой на основе NV-центра, мы сделали решающий шаг к созданию квантовых энергетических устройств с улучшенными характеристиками. Ожидается, что в тесной связи с недавним экспериментальным прорывом в наблюдении эрготропии в системе с NV-центром наша работа, возможно, будет способствовать развитию термодинамики NV-центров».
Недавняя работа этой группы исследователей открывает новые возможности для разработки более надёжных квантовых батарей, которые можно будет надёжно использовать в реальных условиях. В рамках своих следующих исследований Ан и его коллеги планируют улучшить масштабируемость своей батареи и проверить её производительность в дальнейших экспериментах.
«Более конкретно, мы планируем разработать модель квантовой батареи с несколькими телами, которая работает без учёта саморазряда, — добавил Ан. — Это могло бы позволить нам эффективно использовать преимущества квантовой запутанности для повышения мощности зарядки, ёмкости зарядки и извлекаемой работы в нашей квантовой батарее, в которой саморазряд уменьшен».
published in Physical Review Letters, introduces a new QB design in which a defect in diamond, specifically the nitrogen-vacancy center, serves as the medium to store energy.”,”\”A quantum-technology revolution is underway, which uses quantum resources to overcome various performance limitations of devices set by classical physics,\” Jun-Hong An, co-senior author of the paper, told Phys.org.”,”\”As quantum technologies develop and become more widely used, people are getting better at detecting, processing, and securing information. In addition to ‘information,’ quantum technologies are increasingly focusing on the topic of ‘energy.’ This has led to the emergence of the field of quantum thermodynamics.\””,”Past theoretical studies suggest that QBs could have notable advantages over their classical counterparts. Most notably, they could exhibit stronger charging power, a higher charging capacity and larger extractable work, enabled by quantum effects and specific atomic-scale bottom-up fabrication techniques.”,”\”The practical realization and application of QBs face two major challenges,\” said An. \”One is the degraded charging efficiency due to decoherence during the charging process. The other is the spontaneous energy loss, called self-discharging, caused by decoherence during the storage process. Therefore, how to overcome these challenges is a key issue in the field of QBs.\””,”In an earlier paper published in 2024, the researchers tried to overcome the first common shortcoming of QBs, namely the decline in their charging efficiency, using a newly developed anti-aging and wireless-charging protocol. Building on this earlier paper, they now set out to also mitigate the self-discharging processes observed in many previously developed QBs.”,”\”Several schemes have been proposed to suppress the self-discharging of QBs, but they require a quantum charger,\” explained An. \”However, the charger-battery entanglement would decrease the ergotropy of QBs. In contrast to those schemes, we propose a paradigm-shifting solution: a QB based on nitrogen-vacancy (NV) center of diamond that intrinsically suppresses self-discharging without charger intervention. The electronic spin of the NV center is taken as the QB.\””,”Interestingly, the researchers observed that the coherent energy stored by their QB (i.e., coherent ergotropy) decayed more slowly than the incoherent energy during the storage process. Inspired by this observation, they identified a mechanism that could enhance the robustness of their battery against self-discharging by increasing the ratio of coherent ergotropy to the total ergotropy stored by the battery.”,”\”The main advantage of our QB scheme in the NV center is that the unique hyperfine interaction between the electron and the 14N nucleus, which is absent in other platforms, permits us to coherently optimize this ratio,\” said An. \”This is the irreplaceable feature of our QB scheme in the NV center. This irreplaceability endows us with the ability to mitigate the self-discharging on one hand, and to maximize the extractable work on the other.\””,”In initial tests, the QB introduced by An and his colleagues was found to be less prone to self-discharging prompted by decoherence than QBs they created in the past. Notably, their paper also introduces a promising experimental platform for extracting work in open quantum systems, which could be used by other teams in future studies.”,”\”As part of our study, we integrated a solid-state platform with the rapidly developing field of quantum thermodynamics,\” said An. \”Therefore, by unifying theoretical insight with an experimentally feasible NV-center system, we provide a definitive step toward realizing quantum-enhanced energy devices. It is expected that, in close alignment with the recent experimental breakthrough in observing ergotropy in a NV center system, our work would hopefully prompt the development of NV-center quantum thermodynamics.\””,”The recent work by this team of researchers opens new possibilities for the development of more resilient QBs that could be reliably deployed in real-world settings. As part of their next studies, An and his colleagues plan to improve their battery’s scalability and test its performance in further experiments.”,”\”More specifically, we plan to develop a many-body QB model that works in a self-discharging-immune way,\” added An. \”This could enable us to efficiently harness the advantages of quantum entanglement to enhance the charging power, charging capacity, and extractable work in our self-discharging mitigated QB.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник