Квантовые эффекты можно использовать для создания более мощных аккумуляторов

Физики теоретически показали что когда несколько батарей, размером в несколько нанометров, соединены вместе, то их можно заряжать быстрее, чем если бы каждая батарея заряжалась отдельно. Такое улучшение возникает за счет коллективных квантовых явлений и уходит корнями в в область квантовой термодинамики (или квантовой статистики). Эта область занимается изучением того, как квантовые эффекты влияют на классические законы, регулирующие энергию и работу.

Франческо Кампайоли и другие исследователи опубликовали статью о быстрой зарядке наноразмерных батарей в недавнем выпуске Physical Review Letters. Хотя большое количество исследований показало, что квантовые явления обеспечивают преимущества в приложениях к обработке информации, таких как коммуникации и защищенная связь, в термодинамике же было очень мало подобных демонстраций. В одном недавнем исследовании в этой области, ученые показали, что квантовая запутанность может позволить извлечь больше работы из наноразмерного устройства для хранения энергии, или «квантовой батареи», чем это было бы возможно без квантовой запутанности.

В текущем исследовании ученые использовали этот результат, для того чтобы показать, что квантовые явления могут также повысить мощность заряда квантовых батарей. Они также обнаружили, что этот процесс необязательно требует самого запутывания, хотя он и требует операций, которые могут создавать запутанные состояния.

«Наша работа показывает, как операции запутывания, т. е. взаимодействия двух или более тел, необходимы для получения квантового преимущества для мощности заряда многочастичных батарей, тогда как запутанность сама по себе не является ресурсом для этого», - рассказал Кампайоли из университета Монаш в Австралии.

«Кроме того, мы показали, что для локально соединенных батарей квантовое преимущество зависит от количества взаимодействующих батарей».

Однако, квантовое преимущество имеет и свои пределы, приближение к ним в данном случае зависит от того, насколько быстро может быть заряжен набор аккумуляторов с помощью квантовых явлений. Для локально соединенных батарей квантовое преимущество растет с числом взаимодействующих батарей. Подобные ограничения основаны на принятой системе оценок — например, которые используются для оценки максимальной скорости квантовых процессов, таких как вычисления на квантовом компьютере. Здесь основной предел накладывают термодинамические процессы.

В целом, полученные результаты могут привести улучшению будущих процессов нанозарядки энергии, а также к лучшему понимаю того, как связаны квантовая теория и термодинамика.

«Наш результат может быть использован для обеспечения оптимальной зарядки наноустройств, которые созданы из батарей, состоящих из нескольких квантовых систем, таких как кубиты заряда, ионы или атомы», - сообщил Кампайоли.

«Наш план будущих исследований в этой области заключается в том, чтобы обеспечить жесткую верхнюю границу того преимущества, которое может быть получено при взаимодействии конечного числа тел, кроме того, мы бы хотели получить возможность экспериментально проверить свой метод».

Пояснение к основному изображению:

На изображении 62_2, FIG. 1 показано схематичное изображение унитарной схемы с k = 2. В каждый момент времени t, гамильтониан системы состоит из набора s = N/2, каждый из которых включает в себя пары батарей i, j. Результат s

представляет собой независимые унитарные преобразования u^(t)_ii+1 действующие на каждую пару i, i + 1. Обратите внимание, что на каждом наше нет перекрытия между разными парами батарей; на каждом последующем шаге пары меняются, чтобы позволить образование сильно запутанных состояний. Схему такого типа можно использовать для аппроксимации любого унитарного оператора эволюции U(t), зависящего от времени, с точностью, которая увеличивается вместе с увеличением количества шагов L.

Источник: phys.org

Комментарии: