Baterie kwantowe łamią przyczynowość Wiadomości o Mirażu

Baterie wykorzystujące zjawiska kwantowe do pozyskiwania, dystrybucji i magazynowania energii obiecują przewyższyć możliwości i użyteczność konwencjonalnych baterii chemicznych w niektórych zastosowaniach o niskim poborze mocy. Po raz pierwszy naukowcy, w tym ci z Uniwersytetu Tokijskiego, wykorzystują nieintuicyjny proces kwantowy ignorujący tradycyjną koncepcję przyczynowości, aby poprawić wydajność tak zwanych baterii kwantowych, przybliżając nieco tę futurystyczną technologię do rzeczywistości.

Kiedy słyszysz słowo „kwantowy”, czyli fizyka rządząca światem subatomowym, rozwój komputerów kwantowych zwykle trafia na pierwsze strony gazet, ale istnieją inne nadchodzące technologie kwantowe, na które warto zwrócić uwagę. Jednym z takich elementów jest bateria kwantowa, która – choć jej nazwa jest początkowo myląca – kryje w sobie niezbadany potencjał rozwiązań w zakresie zrównoważonej energii oraz potencjał integracji z przyszłymi pojazdami elektrycznymi. Jednakże te nowe urządzenia są przeznaczone do różnych zastosowań przenośnych i wymagających małej mocy, zwłaszcza tam, gdzie możliwości ładowania są ograniczone.

Obecnie baterie kwantowe istnieją jedynie w ramach eksperymentów laboratoryjnych, a badacze na całym świecie pracują nad różnymi aspektami, które, miejmy nadzieję, pewnego dnia zostaną połączone w w pełni funkcjonalne, praktyczne zastosowanie. Absolwent Yuanbo Chen i profesor nadzwyczajny Yoshihiko Hasegawa z Wydziału Inżynierii Informacji i Komunikacji Uniwersytetu Tokijskiego szukają najlepszego sposobu ładowania baterii kwantowej i tu liczy się czas. Jedną z zalet baterii kwantowych jest to, że powinny być niewiarygodnie wydajne, ale to zależy od sposobu ich ładowania.

„Obecne akumulatory do urządzeń o niskim poborze mocy, takich jak smartfony czy czujniki, do przechowywania ładunku zazwyczaj wykorzystują substancje chemiczne, takie jak lit, podczas gdy bateria kwantowa wykorzystuje mikroskopijne cząstki, takie jak układy atomów” – powiedział Chen. „Podczas gdy baterie chemiczne rządzą się prawami fizyki klasycznej, mikroskopijne cząstki są z natury kwantowe, dlatego mamy możliwość zbadania sposobów ich wykorzystania, które wypaczają, a nawet łamią nasze intuicyjne wyobrażenia o tym, co dzieje się w małych skalach. Szczególnie interesują mnie sposób, w jaki mogą działać cząstki.” Naruszenie kwantowe narusza jedno z naszych podstawowych doświadczeń, a mianowicie doświadczenie czasu.

We współpracy z badaczem Gaoyanem Zhou i profesorem Ping Xue z Centrum Badań Obliczeniowych w Pekinie zespół eksperymentował ze sposobami ładowania baterii kwantowej za pomocą urządzeń optycznych, takich jak lasery, soczewki i lustra, ale sposób, w jaki to osiągnięto, wiązał się z efektem kwantowym gdzie zdarzenia nie są ze sobą powiązane przyczynowo, jak przedmioty codziennego użytku. Poprzednie metody ładowania baterii kwantowej obejmowały serię etapów ładowania jeden po drugim. Jednak w tym przypadku zespół zamiast tego zastosował nowy efekt kwantowy, który nazwał Nieokreślonym Porządkiem Przyczynowym, w skrócie ICO. W świecie klasycznym przyczynowość podąża jasną ścieżką, co oznacza, że ​​jeśli zdarzenie A doprowadziło do zdarzenia B, wyklucza się możliwość, że B spowodowało A. Jednakże na poziomie kwantowym ICO pozwala na istnienie obu kierunków przyczynowości w tzw. superpozycja kwantowa, gdzie oba mogą być prawdziwe w tym samym czasie.

„Dzięki ICO udowodniliśmy, że sposób ładowania baterii złożonej z cząstek kwantowych może znacząco wpłynąć na jej wydajność” – powiedział Chen. „Zaobserwowaliśmy ogromny wzrost zarówno w zakresie energii zmagazynowanej w systemie, jak i wydajności cieplnej. Nieco nieoczekiwanie odkryliśmy zaskakujący efekt interakcji, który jest odwrotny do tego, czego można się spodziewać: ładowarka o niższej mocy może dostarczać wyższą energię przy większej efektywności energetycznej niż stosunkowo większa -ładowarka.” Używa tego samego urządzenia.”

Zjawisko ICO zbadane przez zespół może znaleźć zastosowania wykraczające poza ładowanie nowej generacji urządzeń o niskim poborze mocy. Podstawowe zasady, w tym ujawniony tutaj efekt odwracalnej reakcji, mogą poprawić wydajność innych zadań związanych z termodynamiką lub procesami obejmującymi wymianę ciepła. Obiecującym przykładem są panele słoneczne, w przypadku których efekty cieplne mogą zmniejszyć ich wydajność, ale ICO można zastosować w celu złagodzenia tych skutków i zamiast tego prowadzić do wzrostu wydajności.