Italští fyzici navrhli „kvantové baterie“, které se dají vyrobit běžnými polovodičovými technologiemi. Nový prvek by mohl v budoucnu dodávat energii kvantovým počítačům.
Baterie budou ukládat energii v excitovaných stavech qubitů a díky kvantovému provázání by ji také mohly velmi rychle uvolňovat.
Výzkum kvantových baterií je součástí fyzikálního studia termodynamiky velmi malých systémů. V roce 2012 polští fyzici z univerzity v Gdaňsku spolu s kolegy z Leuven University v Belgii studovali, kolik práce se získá vratně z kvantově-mechanického systému použitého k dočasnému uložení energie. Zjistili, že provázáním velkého množství baterií by mohli zvýšit energetický výstup na jednu baterii tak, že u velkého množství baterií bude výstup dosahovat horní hranice, povolené zákony klasické termodynamiky.
Na tomto problému pracují i jiné vědecké skupiny. Fyzici z australské Monash University došli minulý rok k závěru, že kolektivní efekt může zvýšit rychlost nabíjení kvantových baterií, i když zúčastněné kvantové stavy nejsou provázané. Vědci z Italian Institute of Technology (IIT) v Janově zase publikovali studii, která teoreticky popisuje kvantovou baterii, respektive kvantovou úroveň jedné části její činnosti, tj. nabíjení. Tento proces by se podle nich mohl podstatně zrychlit, stejně jako provázané qubity umožňují zrychlit zpracování informací v kvantovém počítači. Když se jednotlivé části baterie uvedou do provázaného stavu, nabíjení může s využitím stejného příkonu probíhat rychleji než u jednotek nabíjených paralelně. Proces se zrychluje úměrně počtu kvantově provázaných jednotek. Podstatné je, že toto kolektivní nabíjení by se mohlo uskutečnit už i současnými technologiemi. V této souvislosti se nejčastěji uvádí využití supravodivých qubitů, kvantových teček nebo fotonických krystalů. Kvantově provázané baterie by, podobně jako při nabíjení, mohly energii také rychle uvolňovat. Využití těchto jevů se zatím předpokládá u zařízení o rozměrech nanometrů.
Tým z Janova navrhuje uzavřít qubity do jedné optické dutiny. Do ní se svítí laserovými pulsy určité vlnové délky. Qubity pak přecházejí ze základního stavu do stavu excitovaného a současně dochází k jejich provázání. Podle výpočtů takové uspořádání zvyšuje nabíjecí energii faktorem, který se rovná druhé odmocnině počtu qubitů, zatímco rychlost nabíjení zůstává stejná, pokud jsou qubity uzavřeny v separátních optických dutinách. Použití společné dutiny obrazně znamená, že „všechny qubity mohou komunikovat se všemi ostatními“. Italští fyzici tvrdí, že jejich systém neporušuje žádný zákon termodynamiky, jelikož počítá pouze s vyšší rychlostí toku energie ze zdroje k baterii, a ne se zvýšením celkového množství energie.
I když tento výzkum je zatím spíše teoretický, přece jen obsahuje i určitý stupeň implementace do oboru pevných látek. Podle italských fyziků by navrhované kvantové baterie mohly využívat qubity buď ze supravodičů, nebo z polovodičových kvantových teček. Vědci předpokládají, že se jim v horizontu tří let podaří ve spolupráci s experimentálními fyziky z IIT a dalších evropských institucí zhotovit první prototyp kvantové baterie.
Upozorňují však, že tato technologie není určena pro napájení laptopů a dalších běžně používaných elektronických hraček. Kvantová baterie se vybije extrémně rychle, v řádu nanosekund, a bude „skladovat“ velmi malé množství energie. Energie uložená v kvantové baterii je totiž určena rozdílem energetických hladin qubitu, který je kolem 0,001 eV, zatímco typická baterie laptopu má 1024 eV. Nový prvek tedy normální baterie nemůže nikdy nahradit.
V budoucnu budou kvantové baterie napájet výhradně kvantově-mechanická zařízení, jako jsou kvantové počítače. Velkým snem fyziků je umět vyrobit integrovaný obvod založený na kvantových technologiích. Každá jednotka v obvodu by pracovala kvantově-mechanicky, a to včetně baterií.
Práce je uveřejněna v Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Mobilní
optické hodiny měří nadmořskou výšku
Proč
je při praní tak důležité máchání?
Magnonová
spintronika
Zapeklité
atomy oganessonu