Квантовая батарея – новая профессия для кубитов

Квантовая батарея это система, наподобие кубита, запасающая энергию в своих квантовых состояниях. Теоретически ее можно заряжать быстрее, чем обычные батареи. Прирост скорости возникает в результате квантового перепутывания многочисленных кубитов, сокращающего путь из их разряженных в заряженные состояния.

Статья о принципах устройства квантовых батареях (quantacell) была опубликована в недавнем выпуске New Journal of Physics группой физиков, во главе с Феликсом Биндером (Felix C. Binder) из Оксфордского университета.

Ученые исследовали квантовую батарею, состоящую из кубитов – в роли последних могут выступать ионы, нейтральные атомы, фотоны и т. п. Кубиты могут существовать в одном из двух состояний либо в их суперпозиции. В квантовой батарее два состояния представляют разные уровни энергии. Таким образом, процесс зарядки состоит в переходе кубитов на более высокий энергетический уровень, а разрядки – в их возвращении в базовое состояние. Физики назвали задействованные в этом процессе кубиты рабочими или витами (work qubits, wit), так как те могут хранить энергию, используемую в дальнейшем для выполнения работы.

Здесь начинается отличие от традиционных аккумуляторов: кубиты могут быть настолько сильно кореллированны, что весь их массив будет описываться одним квантовым состоянием. Исследователи показали, что с ростом количества кубитов, влияние перепутывания растет и длительность зарядки сокращается – в их сценарии это происходило обратнопропорционально количеству кубитов.

Гипотетически, если один кубит заряжается, скажем, в течение часа, то система из шести таких кубитов восполняет энергозапас всего за 10 минут. В реальности типичная квантовая система неспособна сохранять когерентность столь долгое время – воздействие окружения разрушает квантовые эффекты.

Другим препятствием к применению квантовых батарей в реальной жизни является их емкость, которая пока ничтожно мала по сравнению с энергозапросами мобильных телефонов или электромобилей. Поэтому описываемое исследование носит лишь концептуальный характер. Практические результаты могут быть достигнуты в двух случаях: если механические устройства станут достаточно миниатюрны, что их энергозатраты будут соизмеримы с возможностями сегодняшних квантовых систем, или если квантовые системы и их энергию окажется возможным масштабировать до величин, имеющих прикладное значение.

С целью улучшения понимания потенциала квантовых батарей исследователи планируют продолжить изучение квантовых эффектов термодинамических процессов. Главный занимающий их вопрос – может ли квантовая батарея производить работу (направленную энергию), а не просто выделять тепло (неорганизованная энергия).

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365