Квантовые технологии нуждаются в энергии для работы. Это простое соображение привело исследователей за последние десять лет к разработке идеи квантовых батарей, которые представляют собой квантово-механические системы, используемые в качестве устройств хранения энергии. В совсем недавнем прошлом исследователи из Центра теоретической физики сложных систем (PCS) при Институте фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее смогли установить жесткие ограничения на возможную производительность зарядки квантовой батареи. В частности, они показали, что набор квантовых батарей может привести к огромному улучшению скорости зарядки по сравнению с классическим протоколом зарядки. Это происходит благодаря квантовым эффектам, которые позволяют заряжать элементы в квантовых батареях одновременно.

Несмотря на эти теоретические достижения, экспериментальных реализаций квантовых батарей по-прежнему мало. Единственный недавний заметный контрпример использовал набор двухуровневых систем (очень похожих на только что представленные кубиты) для хранения энергии, причем энергия обеспечивалась электромагнитным полем (лазером).

Учитывая текущую ситуацию, очевидно, что крайне важно найти новые и более доступные квантовые платформы, которые можно использовать в качестве квантовых батарей. Имея в виду эту мотивацию, исследователи из той же команды IBS PCS, работающие в сотрудничестве с Джулиано Бененти (Университет Инсубрии, Италия), недавно решили вернуться к квантово-механической системе, которая активно изучалась в прошлом: микромазеру. Микромазер - это система, в которой пучок атомов используется для накачки фотонов в резонатор. Проще говоря, микромазер можно рассматривать как конфигурацию, аналогичную упомянутой выше экспериментальной модели квантовой батареи: энергия накапливается в электромагнитном поле, которое заряжается потоком кубитов, последовательно взаимодействующих с ним.

Исследователи IBS PCS и их сотрудник показали, что микромашины обладают функциями, которые позволяют им служить в качестве отлично модели квантовых батарей. Одна из главных проблем при попытке использовать электромагнитное поле для накопления энергии заключается в том, что в принципе электромагнитное поле может поглощать огромное количество энергии, потенциально намного больше, чем необходимо. Проводя аналогию с простым случаем, это соответствовало бы батарее телефона, которая, будучи подключенной к розетке, продолжает увеличивать свой заряд до бесконечности. В таком случае забыть о том, что телефон подключен к сети, может быть чрезвычайно рискованно, поскольку не будет никакого механизма для остановки зарядки.

К счастью, численные результаты команды показывают, что это не может произойти в микромазерах. Электромагнитное поле быстро достигает окончательной конфигурации (технически называемой устойчивое состояние), энергия которого может быть определена априори при построении микромазера. Это свойство обеспечивает защиту от рисков перезаряда.

Кроме того, исследователи показали, что окончательная конфигурация электромагнитного поля находится в чистое состояние, что означает, что он не содержит памяти о кубитах, которые были использованы во время зарядки. Это последнее свойство особенно важно, когда имеешь дело с квантовой батареей. Это гарантирует, что вся энергия, накопленная в батарее, может быть извлечена и использована в любое время, когда это необходимо, без необходимости отслеживать кубиты, используемые в процессе зарядки.

Наконец, было показано, что эти привлекательные функции являются надежными и не разрушаются при изменении конкретных параметров, определенных в этом исследовании. Это свойство имеет очевидное значение при попытке создать настоящую квантовую батарею, поскольку несовершенства в процессе сборки просто неизбежны.

Интересно, что в параллельной серии работ Стефан Ниммрихтер и его сотрудники показали, что квантовые эффекты могут ускорить процесс зарядки микромазера по сравнению с классической зарядкой. Другими словами, они смогли продемонстрировать наличие ранее упомянутого квантового преимущества во время зарядки батареи микромазера.

Все эти результаты свидетельствуют о том, что micromaser можно рассматривать как новую многообещающую платформу, которую можно использовать для создания квантовых батарей. Тот факт, что эти системы уже много лет внедряются в экспериментальных реализациях, может дать серьезный толчок к созданию новых доступных прототипов квантовых батарей.

С этой целью исследователи IBS PCS и Джулиано Бененти в настоящее время начинают совместное сотрудничество со Стефаном Ниммрихтером и его сотрудниками для дальнейшего изучения этих перспективных моделей. Есть надежда, что это новое исследовательское сотрудничество, наконец, позволит провести сравнительный анализ и экспериментальную проверку характеристик устройств с квантовыми батареями на основе микромазера.