Как известно, мир остро нуждается в более эффективном и устойчивом накоплении энергии, поскольку глобальный спрос на нее растет, а стандартные аккумуляторы на химической основе приближаются к своим пределам. В этих условиях квантовые аккумуляторы – это, по оценкам экспертов, новая концепция накопления энергии, которая отличается от стандартных аккумуляторов использованием принципов квантовой механики, таких как суперпозиция, запутанность и когерентность. Этот квантовый подход обещает значительные преимущества в производительности, включая более быструю зарядку, увеличение емкости и повышение эффективности.

Однако, до последнего времени практическая реализация квантовых аккумуляторов была сопряжена со значительными трудностями, основными из которых являются потеря энергии и декогеренция, которые ухудшают квантовые свойства, такие как запутанность и суперпозиция. Это может привести к снижению производительности квантовых аккумуляторов, особенно при дистанционной зарядке или в условиях рассеивания энергии.

Недавнее теоретическое исследование, проведенное в Центре квантовых вычислений RIKEN и Университета науки и технологии Хуачжун, показало, как эффективно проектировать квантовую батарею. “Наше исследование позволяет по-новому взглянуть на топологическую перспективу и дает нам подсказки для создания высокопроизводительных устройств хранения микроэнергии”, - сказал Чжи Гуан Лу, первый автор исследования. “Преодолевая практические ограничения производительности квантовых батарей, вызванные передачей и рассеиванием энергии на большие расстояния, мы надеемся ускорить переход от теории к практическому применению квантовых батарей”, - сказал Гуан Лу.  Как указывают исследователи RIKEN, они использовали “топологические свойства” – свойства материала, которые остаются неизменными при деформации, например, изгибе или скручивании. Предложенная ими концепция конструкции батареи уникальным образом сочетает в себе топологические свойства фотонных волноводов с квантовыми эффектами двухуровневых атомов. Исследователи показали, что, используя топологические свойства, можно добиться идеальной устойчивости к зарядке и ограничению рассеяния энергии. Исследование выявило несколько важных преимуществ, делающих топологические квантовые батареи жизнеспособными. Во-первых, можно достичь “почти идеальной передачи энергии”, используя топологические свойства фотонных волноводов. Кроме того, исследование показало, что устойчивость к рассеянию возможна, особенно в пределах одной подрешетки, когда зарядное устройство и аккумулятор расположены в одном месте. “Рассеивание энергии, которое обычно считается вредным для работы аккумулятора, также может быть использовано для кратковременного повышения мощности зарядки квантовых аккумуляторов”, — отмечается в пресс-релизе Центра квантовых вычислений RIKEN. В частности, там подчеркивается, что это исследование топологических квантовых батарей имеет важное значение для различных передовых технологий. Оно открывает перспективы для хранения энергии в наноразмерных масштабах, может привести к достижениям в области оптической квантовой связи, обеспечивая сверхбезопасную передачу данных на большие расстояния и многое другое.

В феврале команда RIKEN успешно создала прототип квантовой батареи с использованием микрорезонатора. Это устройство представляет собой крошечное устройство с органическими молекулами, расположенными между зеркалами, которые улавливают лазерный луч и позволяют молекулам поглощать его энергию. Исследователи RIKEN планируют продолжить работу по превращению теорий квантовых устройств в практические приложения.

 Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.