Квантовые батареи: нарушение законов причинности для повышения эффективности

В исследованиях в области хранения энергии все большее внимание уделяется квантовым батареям. Недавно японская группа исследователей использовала неинтуитивное квантовое явление, называемое неопределенным причинно-следственным порядком, для повышения эффективности зарядки. Этот прорыв может ускорить время зарядки аккумуляторов и увеличить их долговечность (срок службы в хорошем состоянии), что окажет влияние на бытовую электронику, автомобили и возобновляемые источники энергии.

В связи с актуальностью проблемы изменения климата и стремлением к энергетической автономии исследования в настоящее время обращены к квантовым батареям. Недавно группа исследователей из Токийского университета под руководством Юаньбо Чена изучила новое перспективное направление: использование квантовых явлений для оптимизации зарядки аккумуляторов. Речь идет о неопределенном причинном порядке — явлении, при котором порядок событий не соответствует обычной причинно-следственной последовательности.

Данное исследование проводится на фоне растущего глобального спроса на более эффективные решения для хранения энергии, в частности, для удовлетворения потребностей в возобновляемых источниках энергии и электромобилях. Работа Чена и его коллег может стать поворотным моментом в использовании неопределенного причинно-следственного порядка — концепции, находящейся на границе теоретической физики и практического применения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Шаг к неопределенности

В нашей повседневной жизни причинность подчиняется однонаправленной логике: одно событие предшествует другому и влияет на него, причем неоднозначно. На этом основано наше понимание времени и последовательности действий. Другими словами, если событие А вызывает событие Б, то Б не может быть причиной А. Однако эта линейность ставится под сомнение законами квантовой механики, где явления могут быть настолько запутанными, что различие между причиной и следствием становится размытым или даже взаимозаменяемым.

Юаньбо Чен и его сотрудники из Токийского университета полагают, что эту сложность, присущую квантовой причинности, можно использовать для улучшения хранения энергии. Они учли эту идею в своем эксперименте с двумя зарядными устройствами, питающими квантовую батарею. Они оценивали прирост энергии и эффективность зарядки батареи в трех различных сценариях: последовательное подключение зарядных устройств, одновременное питание батареи от зарядных устройств и ситуация, когда источник зарядки оставался неопределенным из-за суперпозиции причинности.

В последнем сценарии аккумулятор накапливал наибольшее количество энергии наиболее эффективным способом, даже при слабой связи между зарядными устройствами и аккумулятором, что свидетельствует о том, что процесс может быть эффективным даже при неидеальных зарядных устройствах. Возможность сосуществования событий в наложенном состоянии, когда роли причины и следствия не фиксированы, открывает возможности для более быстрой и эффективной зарядки аккумуляторов.

Исследователи провели предварительный эксперимент с квантовым светом, чтобы продемонстрировать осуществимость этого протокола, основанного на неопределенной причинности, с помощью устройства, называемого квантовым переключателем. Однако прямое применение этого протокола для создания полноценной квантовой батареи еще предстоит проверить.

На пути к устойчивому энергетическому будущему?

Если квантовые батареи удастся применить на практике, то их последствия могут быть весьма обширными. В секторе возобновляемой энергетики они позволят более эффективно накапливать солнечную или ветровую энергию, тем самым снижая проблемы, связанные с непостоянством этих источников. Это означает, что энергия, произведенная в периоды высокой выработки, может быть сохранена в более стабильном виде и высвобождена по мере необходимости.

В области электроники последствия не менее значительны. Квантовые батареи могут позволить повседневным мобильным устройствам, таким как смартфоны и ноутбуки, работать без подзарядки в течение нескольких недель.

Для транспорта, в частности электромобилей, квантовые батареи могут означать гораздо большее расстояние между подзарядками, что сделает электромобили более практичными для дальних поездок и уменьшит беспокойство по поводу дальности поездки. Более того, подзарядка таких батарей может быть значительно быстрее, что сократит время простоя и повысит общую эффективность поездок.

Таким образом, квантовые батареи могут не только улучшить существующие продукты, но и позволить разработать новые технологии, которые ранее были немыслимы из-за ограничений обычных батарей. Это может привести к новой эре энергетических устройств, в которой экологичность и эффективность будут уже не противоречивыми целями, а конкретными реалиями.