Kvantdatorer erbjuder potential att lösa beräkningsproblem som ligger utom räckhåll för klassiska datorer. Som ett exempel hävdade det kanadensiska företaget Xanadu nyligen att dess kvantdator har kunnat lösa, på bara 36 mikrosekunder, en beräkningsuppgift som skulle ha krävt 9 000 år med hjälp av toppmoderna superdatorer.

Men kvantteknik behöver energi för att fungera. Denna enkla övervägande har fått forskare att utveckla idén om kvantbatterier, som är kvantmekaniska system som används som energilagringsenheter. Nyligen har forskare vid Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) inom Institute for Basic Science (IBS), Sydkorea, kunnat sätta snäva begränsningar på den möjliga laddningsprestandan hos ett kvantbatteri.

Specifikt visade de att en samling kvantbatterier kan leda till en enorm förbättring av laddningshastigheten jämfört med ett klassiskt laddningsprotokoll. Detta tack vare kvanteffekter, som gör att cellerna i kvantbatterier kan laddas samtidigt.

Trots dessa teoretiska landvinningar är de experimentella realiseringarna av kvantbatterier fortfarande knappa. Det enda nyligen uppmärksammade motexemplet använde en samling tvånivåsystem (mycket lik de nyss introducerade qubits) för energilagringsändamål, där energin tillhandahålls av ett elektromagnetiskt fält (en laser).

Med den nuvarande situationen är det helt klart av yttersta vikt att hitta nya och mer tillgängliga kvantplattformar som kan användas som kvantbatterier. Med denna motivation i åtanke beslutade forskare från samma IBS PCS-team, som arbetar i samarbete med Giuliano Benenti (University of Insubria, Italien), nyligen att återbesöka ett kvantmekaniskt system som har studerats mycket tidigare:mikromasern.

Micromaser är ett system där en stråle av atomer används för att pumpa in fotoner i en kavitet. Enkelt uttryckt kan en mikromaser ses som en konfiguration som reflekterar den experimentella modellen av kvantbatterier som nämns ovan:energin lagras i det elektromagnetiska fältet, som laddas av en ström av qubits som sekventiellt interagerar med det.

IBS PCS-forskarna och deras samarbetspartner visade att mikromasrar har funktioner som gör att de kan fungera som utmärkta modeller av kvantbatterier. En av de största problemen när man försöker använda ett elektromagnetiskt fält för att lagra energi är att det elektromagnetiska fältet i princip kan absorbera en enorm mängd energi, potentiellt mycket mer än vad som är nödvändigt. Att göra en analogi med ett enkelt fodral, skulle detta motsvara ett telefonbatteri som, när det är anslutet, fortsätter att öka sin laddning på obestämd tid. I ett sådant scenario kan det vara extremt riskabelt att glömma att telefonen är ansluten, eftersom det inte skulle finnas någon mekanism för att stoppa laddningen.

Lyckligtvis visar lagets numeriska resultat att detta inte kan hända i mikromasrar. Det elektromagnetiska fältet når snabbt en slutlig konfiguration (tekniskt kallat ett stabilt tillstånd), vars energi kan bestämmas och avgöras a priori när mikromasern byggs. Den här egenskapen säkerställer skydd mot riskerna för överladdning.

Dessutom visade forskarna att den slutliga konfigurationen av det elektromagnetiska fältet är i ett rent tillstånd, vilket innebär att det inte ger något minne av de qubits som har använts under laddningen. Den sistnämnda egenskapen är särskilt avgörande när man har att göra med ett kvantbatteri. Det säkerställer att all energi som lagras i batteriet kan utvinnas och användas närhelst det behövs, utan att behöva hålla reda på qubits som används under laddningsprocessen.

Slutligen visades det att dessa tilltalande egenskaper är robusta och inte förstörs genom att ändra de specifika parametrarna som definieras i denna studie. Denna egenskap är av uppenbar betydelse när man försöker bygga ett verkligt kvantbatteri eftersom ofullkomligheter i byggprocessen helt enkelt är oundvikliga.

Intressant nog har Stefan Nimmrichter och hans medarbetare i en parallell serie artiklar visat att kvanteffekter kan göra laddningsprocessen av mikromasern snabbare än klassisk laddning. Med andra ord har de kunnat visa närvaron av den tidigare nämnda kvantfördelen under laddningen av ett mikromaserbatteri.

Alla dessa resultat tyder på att micromaser kan betraktas som en lovande ny plattform som kan användas för att bygga kvantbatterier. Det faktum att dessa system redan har implementerats i experimentella realiseringar i många år skulle kunna ge ett allvarligt uppsving för att bygga nya tillgängliga prototyper av kvantbatterier.

För detta ändamål inleder IBS PCS-forskarna och Giuliano Benenti för närvarande ett gemensamt samarbete med Stefan Nimmrichter och hans medarbetare, för att ytterligare utforska dessa lovande modeller. Förhoppningen är att detta nya forskningssamarbete äntligen ska kunna jämföra och experimentellt testa prestandan hos mikromaserbaserade kvantbatterienheter.

Forskningen publicerades i Quantum Science and Technology . + Utforska vidare

Superabsorption låser upp nyckeln till nästa generations kvantbatterier