29 дек 2023 1 749

Квантовые батареи: Революция в скорости зарядки

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые совершили революционный прорыв в области аккумуляторных технологий. Традиционно батареи полагались на преобразование электрической энергии в химическую — процесс, который потребляет значительное количество электронов. Однако новый эксперимент раскрыл необычное квантовое явление, которое может произвести революцию в способах зарядки аккумуляторов. Изменив привычную причинно-следственную связь, исследователи обнаружили метод повышения скорости и эффективности зарядки аккумулятора. Это революционное открытие может изменить будущее хранения энергии и способствовать прогрессу в различных отраслях.

Сложная игра между причиной и следствием в сфере квантовой механики, которая управляет загадочным царством мизерных величин, часто ускользает от прямого понимания. В сфере научных исследований давно признано, что, когда событие А предшествует событию Б и, следовательно, приводит к нему, обычно считается, что событие Б не может взаимно вызвать событие А одновременно. Тем не менее, революционные успехи теоретической физики показали, что в рамках конкретных моделей существуют обстоятельства, при которых, казалось бы, противоречивые понятия «А вызывает В» и «В вызывает А» могут сосуществовать в качестве правдивых объяснений

— Юаньбо Чэнь, физик из Токийского университета, автор исследования.

Замечательный принцип квантовой суперпозиции дает частицам возможность изящно обитать во множестве состояний одновременно, до момента наблюдения, когда они выбирают единственное состояние для принятия. Внутренние качества квантовой сущности, такие как ее импульс, положение или даже загадочный сценарий «гипотетического кота» Эрвина Шрёдингера, обладают необычной способностью существовать в состоянии суперпозиции, воплощая смесь всех мыслимых состояний в соответствии с вероятностями. Только когда объект подвергается наблюдению, это эфирное слияние превращается в окончательный результат.

Это глубокое открытие побудило физиков провести очень нетипичные эксперименты, которые бросают вызов традиционным представлениям о мире возможностей. Эти опыты позволили раскрыть сценарии, в которых одиночная частица может проявлять свое существование, одновременно существуя в самых разных местах.

Однако концепция суперпозиции не только нарушает наше инстинктивное понимание пространственных отношений, но и запутанно переплетается с пониманием причины и следствия. Для демонстрации этого загадочного явления известные физики в 2009 году использовали замечательный инструмент, известный как квантовый переключатель, чтобы раскрыть царство неопределенности причинного порядка. Направляя светящуюся частицу, или фотон, по расходящейся траектории, они смогли засвидетельствовать ее необычное разделение на два отдельных проявления самой себя, каждое из которых движется своим путем.

После этого физики применили две разные процедуры, основанные на траектории фотона, соответствующим образом изменив их последовательность. Как следствие, фотон оказался в запутанном состоянии, в котором причинно-следственные связи стали неразличимыми: он вошел в квантовую суперпозицию, где обе последовательности событий были одновременно действительными.

Чен предложил сценарий, в котором существуют два различных процесса, а именно A и B. Используя квантовый переключатель, становится возможным создать суперпозицию, состоящую из двух разных последовательностей: одна представляет собой применение сначала A, затем B, а затем B. другой вариант — сначала применить B, а затем A.

Чену и его команде было интересно узнать о возможности интеграции этой концепции в квантовую батарею — гипотетическое устройство, способное накапливать энергию фотонов и заряжаться гораздо быстрее, чем традиционные электрохимические батареи. Чтобы изучить эту идею дальше, они провели сравнение трех различных подходов к зарядке. Первый метод предполагал последовательное подключение к аккумулятору двух зарядных устройств, второй метод представлял собой одновременное подключение, а третий метод был основан на суперпозиции, где порядок ввода остается неопределенным.

Их расчеты показали, что метод с суперпозицией позволит слабому зарядному устройству с перемешиванием причинности доставлять больше энергии более эффективно, чем обычное высокопроизводительное зарядное устройство.

В дополнение к расчетам физики провели принципиальный эксперимент с использованием света. Пропустив фотоны через квантовый переключатель с двумя возможными путями, исследователи разделили световые частицы на две возможные версии самих себя, каждая из которых проходит по отдельному пути.

Согласно их расчетам, было установлено, что использование метода суперпозиции позволит маломощному зарядному устройству с причинно-следственной связью эффективно доставлять большее количество энергии, превосходя возможности традиционного высокопроизводительного зарядного устройства.