Квантовые батареи (QB) — это устройства для хранения энергии, которые могут служить альтернативой классическим батареям. Они потенциально могут заряжаться быстрее и обеспечивать извлечение большего количества энергии. В отличие от существующих батарей, в квантовых батареях используются эффекты, основанные на квантовой механике, такие как запутанность и суперпозиция.
Проблемы квантовых батарей
Несмотря на перспективы, квантовые батареи ещё не достигли оптимальных характеристик, отчасти из-за того, что они подвержены декогеренции. Это потеря когерентности (то есть способности квантовых систем существовать в суперпозиции нескольких состояний), вызванная взаимодействием системы с окружающей средой.
Декогеренция приводит к тому, что квантовые батареи саморазряжаются, то есть начинают спонтанно высвобождать хранящуюся в них энергию. Этот процесс саморазряда пока препятствует практическому применению батарей.
Новое решение
Исследователи из Университета Хубэй, Академии инноваций в области точных измерений и технологий, Китайской академии наук и Университета Ланьчжоу недавно представили новую схему, которая может уменьшить саморазряд в квантовых батареях. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предлагает 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, — сказал один из авторов статьи Цзюнь-Хонг Ан. — Квантовые ресурсы используются для преодоления различных ограничений устройств, установленных классической физикой».
Преимущества квантовых батарей
Прошедшие теоретические исследования показывают, что квантовые батареи могут иметь значительные преимущества перед классическими аналогами. В частности, они могут демонстрировать более высокую мощность зарядки, большую ёмкость зарядки и больший объём извлекаемой работы благодаря квантовым эффектам и специфическим методам изготовления на атомном уровне.
Однако практическая реализация и применение квантовых батарей сталкиваются с двумя основными проблемами:
* снижение эффективности зарядки из-за декогеренции во время процесса зарядки;
* спонтанные потери энергии, называемые саморазрядом, вызванные 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 беспроводной зарядки. Опираясь на эту более раннюю статью, они теперь стремятся также уменьшить процессы саморазряда, наблюдаемые во многих ранее разработанных квантовых батареях.
Механизм подавления саморазряда
«Было предложено несколько схем для подавления саморазряда квантовых батарей, но они требуют квантового зарядного устройства, — пояснил 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 центре алмаза, который изначально подавляет саморазряд без вмешательства зарядного устройства. Электронный спин азот-вакансионного центра используется в качестве квантовой батареи».
Исследователи обнаружили, что когерентная энергия, хранящаяся в их квантовой батарее (то есть когерентная эрготропия), затухает медленнее, чем некогерентная энергия, во время процесса хранения. Вдохновлённые этим наблюдением, они определили механизм, который может повысить надёжность их батареи против саморазряда за счёт увеличения отношения когерентной эрготропии к общей эрготропии, хранящейся в батарее.
«Основное преимущество нашей схемы квантовой батареи в азот-вакансионном центре заключается в том, что уникальное сверхтонкое взаимодействие между электроном и ядром ¹⁴N, отсутствующее в других платформах, позволяет нам когерентно оптимизировать это соотношение», — сказал Ан. «Это незаменимая особенность нашей схемы квантовой батареи в азот-вакансионном центре. Эта незаменимость даёт нам возможность, с одной стороны, уменьшить саморазряд, а с другой — максимизировать извлекаемую работу».
В начальных тестах квантовая батарея, представленная Аном и его коллегами, оказалась менее склонной к 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», — сказал Ан. «Поэтому, объединив теоретические идеи с экспериментально осуществимой системой на основе азот-вакансионного центра, мы сделали решающий шаг к реализации квантовых энергетических устройств с улучшенными характеристиками. Ожидается, что в тесной связи с недавним экспериментальным прорывом в наблюдении эрготропии в системе на основе азот-вакансионного центра наша работа, надеюсь, будет способствовать развитию квантовой термодинамики на основе азот-вакансионного центра».
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 для многих тел, которая работает с защитой от саморазряда», — добавил Ан. «Это может позволить нам эффективно использовать преимущества квантовой запутанности для повышения мощности зарядки, ёмкости зарядки и извлекаемой работы в нашей квантовой батарее, в которой саморазряд уменьшен».