Япония представляет первую квантовую батарею, которая не теряет энергию!

Команда ученых из Центр квантовых вычислений RIKEN в Японии и Хуачжунский университет науки и технологий в Китае представили теоретическую модель, которая может фундаментально изменить то, что мы знаем о хранении энергии. Это первый»топологическая квантовая батарея», система, способная транспортировать энергию на большие расстояния без потерь или, что еще лучше, использовать сам процесс потери для временного повышения заряда.

Исследование, опубликованное в Письма о физических отзывахпоказывает, как топологические свойства фотонных волноводов можно использовать для преодоления фундаментальных ограничений физики, которые до сих пор удерживали квантовые батареи в сфере теории. Если это открытие подтвердится экспериментально, это открытие может привести к созданию высокоэффективных нанобатарей и приблизить эру практических квантовых устройств.

Так называемые квантовые батареи обещают хранить и транспортировать энергию не посредством химических реакций, как классические батареи, а посредством таких явлений, как квантовая суперпозиция, запутанность и когерентность.

Теория предполагает, что такие батареи могут заряжаться в мгновение ока, иметь гораздо более высокую плотность энергии и передавать энергию с минимальными потерями. Но на сегодняшний день каждая попытка создать настоящую квантовую батарею сталкивается с одной и той же проблемой: квантовая когерентность чрезвычайно хрупка. Небольших несовершенств окружающей среды или малейшего теплового шума достаточно, чтобы разрушить квантовые эффекты, приводящие к потерям энергии.

Топология, раздел математики, изучающий свойства, которые остаются неизменными, когда объект деформируется или деформируется, стала одним из самых интересных инструментов современной физики. В последние годы топологические материалы продемонстрировали способность переносить электроны или фотоны практически с нулевыми потерями. ученые теперь они пытаются использовать его и для хранения энергии.

Его команда КОРОЛЕВСТВО использовали модели, сочетающие в себе два ключевых элемента: фотонные волноводы с топологической стабильностью и двухэнергетические атомы, выступающие в качестве накопителей энергии. Используя моделирование и аналитические модели, исследователи показали, что можно одновременно обеспечить передачу энергии на большие расстояния и устойчивость к потерям.

Еще более неожиданным оказалось открытие, что «диссипация», то есть явление потери энергии, может в некоторых случаях временно увеличивать силу заряда. Проще говоря, явление, которое мы считали препятствием, может стать союзником.

По мнению исследователей, эта топологическая система обеспечивает почти идеальную передачу энергии между источником зарядки и «ячейкой» батареи.. Когда они находятся в одной точке, система становится невосприимчивой к потерям и ограничивается определенной подсетью. Но даже когда потери превышают критический порог, заряд мгновенно увеличивается, предлагая дополнительную энергию без внешнего вмешательства.

Эти открытия опровергают фундаментальные предположения в физике энергетических систем. До сих пор диффузия всегда считалась нежелательной. Новый теоретический подход показывает, что при правильных условиях природа может использовать сам износ в качестве механизма повышения производительности.

«Наше исследование предлагает новый топологический взгляд на хранение энергии и указывает на способы создания высокопроизводительных миниатюрных систем.», – утверждает первый автор исследования, Чжи-Гуан Лу. «Если мы сможем преодолеть барьеры расстояний и потерь, то квантовые батареи могут наконец стать реальностью.».

Руководитель международной команды, Ченг Шандобавляет, что следующая цель — перенести модель из теории в лабораторию.

Мы хотим преодолеть разрыв между математическим описанием и реальными устройствами. Это первый шаг к квантовой эре технологии чего мы все ожидали.

Если эта модель будет реализована, ее последствия будут огромными. Топологическая квантовая батарея могла бы питать крошечные квантовые устройства, фотонные сети связи или квантовые компьютеры без потерь и без необходимости использования сложных систем охлаждения или исправления ошибок.

[source]