За последние несколько лет исследователи разработали различные квантовые технологии, которые могут стать альтернативой классическим устройствам. Они работают на основе принципов квантовой механики и потенциально способны превосходить классические аналоги в определённых условиях.
Среди предложенных и разработанных квантовых технологий — квантовые батареи. Это устройства для хранения энергии, которые теоретически могут накапливать энергию более эффективно, чем классические батареи, а также быстрее их заряжать. Несмотря на прогнозируемый потенциал, большинство предложенных на сегодняшний день решений для квантовых батарей ещё не доказали, что могут демонстрировать реальное квантовое преимущество, то есть работать лучше, чем их классические аналоги.
Исследователи из Университета Париж-Сакле и Университета Пизы представили новую, на первый взгляд простую модель квантовой батареи, которая может иметь реальное квантовое преимущество перед классическим аналогом. Новая модель, описанная в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, успешно достигла так называемого квантового предела скорости — максимальной скорости, которую теоретически может достичь квантовая система.
«Квантовые батареи — это микроскопические устройства, которые могут демонстрировать квантовые преимущества перед своими классическими аналогами в задачах, связанных с энергией», — рассказали Phys.org Виттория Станзионе и Джан Марчелло Анджолина, соавторы статьи. «Эта область исследований возникла из теории квантовой информации, которая предсказывает, что квантовые ресурсы, такие как запутанность, могут значительно повысить мощность зарядки квантовых систем».
Ранее некоторые авторы настоящей работы предложили модель, демонстрирующую такое квантовое преимущество: модель Сачдева — Йе — Китаева (SYK). Однако эта модель сложна как экспериментально — из-за многочастичных взаимодействий — так и теоретически, поскольку её аналитическое исследование затруднено.
Ранние работы, демонстрирующие квантовое преимущество батарей на основе модели SYK, использовали только численное моделирование, не проводя дальнейшего анализа. Основываясь на своих предыдущих усилиях, Станзионе, Анджолина и их коллеги попытались определить простейшую возможную модель квантовой батареи, которая могла бы демонстрировать квантовое преимущество с точки зрения мощности зарядки.
«Наша модель состоит из двух связанных гармонических осцилляторов: один действует как «зарядное устройство», а другой служит «батареей», — объяснили Станзионе и Анджолина. «Ключевым компонентом, обеспечивающим квантовое преимущество, является ангармоническое взаимодействие между двумя осцилляторами в процессе зарядки. Это ангармоническое взаимодействие позволяет системе получать доступ к неклассическим запутанным состояниям, которые эффективно создают «сокращённый путь» в гильбертовом пространстве, обеспечивая более быструю передачу энергии, чем в классической динамике».
Чтобы строго подтвердить квантовое преимущество своей модели, исследователи сравнили её с подходящей классической моделью батареи, а также применили формальную границу, описанную Мацеем Левинштейном и другими исследователями из Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне. В целом, их выводы показывают, что их модель квантовой батареи действительно превосходит классический аналог.
«Насколько нам известно, эта работа представляет собой первую строгую сертификацию реального квантового преимущества в разрешимой модели», — сказали Станзионе и Анджолина. «Кроме того, предложенная установка может быть реализована с использованием современных экспериментальных технологий».
На данный момент модель исследователей является лишь теоретической, и предстоит проделать большую работу, прежде чем её можно будет реализовать экспериментально. В своей статье команда кратко исследует возможность реализации предложенной модели батареи с использованием сверхпроводящих схем — электрических цепей, изготовленных из материалов, которые при низких температурах имеют нулевое сопротивление.
«Мы планируем сотрудничать с экспериментальными группами в будущем, чтобы провести экспериментальную реализацию», — добавили Станзионе и Анджолина. «В то же время разработка полностью функциональной квантовой батареи, интегрированной с другими квантовыми технологиями, остаётся далёкой целью. Мы надеемся, что наша работа будет стимулировать дальнейшие исследования в этой захватывающей области, способствуя прогрессу как в теоретическом, так и в экспериментальном направлениях».