Представете си батерия, която се зарежда почти мигновено и съдържа много повече енергия от най-добрите съвременни варианти. Това е обещанието на квантовата батерия - авангардно устройство за съхранение на енергия, което използва квантови явления като заплитане и суперпозиция. Едно скорошно проучване очертава дизайна на такава батерия и ако бъдещите експерименти потвърдят нейния потенциал, тя би могла да промени начина, по
който мислим за съхранението на енергия.
"Традиционните батерии, които все още се използват, като литиево-йонните, алкалните и оловно-киселинните батерии, работят на базата на електрохимични реакции, които включват движение на йони между два електрода през електролит", казва екип от изследователи в неотдавнашна статия, публикувана в Advanced Quantum Technologies, в която се описва идеята, "Квантовите батерии, от друга страна, са нова концепция, която изследва потенциала на квантовата механика за подобряване на съхранението на енергия.“
Въпреки теоретичните им перспективи, разработването на работеща квантова батерия е изпълнено с предизвикателства. Най-сериозното от тях е трудността да се поддържа квантова кохерентност, при която батерията съществува в няколко квантови състояния едновременно. Това е от решаващо значение за функционалността на батерията, но може лесно да бъде нарушено
което затруднява поддържането й
Освен това, за да работят квантовите батерии, различните им компоненти трябва да останат в деликатно състояние на заплетеност не само помежду си, но и с елемента, отговорен за зареждането на батерията. Проблемът се крие в крехкостта на тези квантови батерии.
В своето проучване изследователите предлагат прост, но иновативен дизайн на квантова батерия, който може да реши тези проблеми. Тя се състои от един атом, чиито квантови състояния се използват за съхраняване на енергия, свързан с междинна кухина, съдържаща електромагнитно поле. Тази кухина опосредства взаимодействията между атома и околната среда, като потенциално предпазва деликатното състояние на квантовата батерия от разрушителни външни смущения.
"Наличието на опосредствана кухина може да има няколко ефекта", пишат авторите, "Тя може да служи като средство за защита (на квантовата батерия) от външни смущения, като спомага за запазване на деликатното квантово състояние (на батерията), "Тя може да спомогне за поддържане на кохерентност и намаляване на декохерентността, които са решаващи фактори в квантовите системи. Така че това посредничество може да доведе до по-контролирани и
ефективни процеси на пренос на енергия
Този иновативен подход подчертава значението на околната среда за работата на квантовите батерии. Съществуват два основни типа среди, които трябва да се вземат предвид при оценката на квантовите системи: среди без памет и среди, повлияни от паметта.
В първата, известна като среда "без памет", външната среда на батерията, като например зарядно устройство или въздух, не запазва никаква информация за минали взаимодействия с нея. В среда, лишена от памет, тези взаимодействия не оставят никакво трайно въздействие върху заобикалящата среда. Сякаш всеки път, когато батерията взаимодейства със заобикалящата я среда, това се случва за първи път. Този тип среда е по-лесна за изучаване и работа
както на теория, така и на практика
Тъй като обкръжението не запазва никаква информация и не се влияе от минали събития, е по-лесно да се разбере и предвиди как ще се държи батерията. Въпреки това тя може не винаги да отразява точно сложността на реалната среда или квантовите системи, което потенциално ограничава нейната приложимост и предсказваща сила.
Вторият подход включва среди с ефекти на паметта, като например кристали или системи с множество заплетени атоми. В тези среди обкръжаващата среда си спомня миналите си взаимодействия с квантовата батерия.
Тази памет спомага за поддържането на квантовата кохерентност на батерията - по същество за поддържането на нейните деликатни квантови състояния стабилни - тъй като средата може по-добре да управлява и контролира обмена на енергия с течение на времето. Това позволява по-прецизно зареждане и разреждане на батерията.
Работата с такива среди обаче е по-сложна поради многобройните фактори и взаимодействия, които трябва да се вземат предвид, което прави по-трудни както изследванията, така и практическото използване.
