Kwantowy akumulator można błyskawicznie naładować

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Fizycy wykazali, że kwantowy akumulator, czyli urządzenie bazujące na kubitach przechowujących energię, może być ładowany znacznie szybciej niż konwencjonalne akumulatory. Co więcej, czas ładowania jest tym krótszy im więcej kwantowo splątanych kubitów ładujemy. Teoretyczne rozważania nad kwantowym akumulatorem, nazwanym przez autorów "quantacell", ukazały się na łamach New Journal of Physics.

Świat nauki jest bardzo zainteresowany odpowiedzią na pytanie, czy fizyka kwantowa może usprawnić procesy termodynamiczne. W naszym artykule dowodzimy, że tam, gdzie chcemy, by proces zachodził w krótkim czasie, splątanie kwantowe prowadzi do znaczącego przyspieszenia - mówi główny autor badań, fizyk Felix C. Binder z Oxford University.

Naukowcy przyjrzeli się akumulatorowi złożonemu z kubitów. Kubitami mogą być jony, atomy, fotony itp. Kubity mogą przyjmować jeden z dwóch stanów, mogą znajdować się też w superpozycji, czyli w obu stanach jednocześnie. W akumulatorze kwantowym te dwa stany reprezentowałyby dwa poziomy energetyczne. Ładowanie akumulatora polegałoby na przełączeniu ze stanu niskiej energii do stanu energii wysokiej, rozładowywanie byłoby procesem odwrotnym. Naukowcy mówią tutaj o "kubitach pracy" ("work qubits" lub "wits"), gdyż przechowują one energię, za pomocą której można wykonać pracę.

Zasadniczą różnicą pomiędzy standardowym akumulatorem a akumulatorem kwantowym jest wykorzystanie w tym drugim zjawiska splątania. Kubity są tak silnie ze sobą powiązane, że można ja opisać tym samym stanem kwantowym. Naukowcy wykazali, że powiązanie kubitów ze sobą oznacza znaczne skrócenie przestrzeni, jaką muszą przebyć, by zmienić stan. W naszym akumulatorze oznacza to skrócenie czasu potrzebnego do przełączenia się pomiędzy stanami wysokiej i niskiej energii. Fizycy z Oksfordu wykazali, że jeśli np. mamy jeden kubit i jego naładowanie (zmiana stanu) wymaga godziny, to przy sześciu splątanych kubitach czas ten skróci się do 10 minut.

Teoretycznie wygląda to bardzo obiecująco, jednak musimy pamiętać, że stany kwantowe są niezwykle nietrwałe i niszczy je dekoherencja, czyli interakcja z otoczeniem. Kolejną przeszkodą na drodze do powszechnego użycia kwantowych akumulatorów jest fakt, że mogą przechowywać one niewielkie ilości energii. Energia systemów kwantowych jest zwykle o wiele rzędów wielkości mniejsza od najmniejszej ilości energii wykorzystywanej przez przedmioty codziennego użytku. Problemem jest tutaj rozmiar. Nasze badania to teoretyczny dowód, że fizyka kwantowa może przyspieszyć napełnianie systemów energią. Mogą one zostać w praktyce wykorzystane w dwóch przypadkach: 1) gdy urządzenia mechaniczne staną się tak małe, że ilość wykorzystywanej przez nie energii będzie porównywalna z ilością energii używanej w systemach kwantowych, 2) gdy systemy kwantowe zostaną na tyle powiększone i będziemy potrafili je na tyle kontrolować, by wykorzystać je w praktyce - mówi współautor badań John Goold z Międzynarodowego Centrum Fizyki Teoretycznej w Trieście.

Naukowcy będą nadal badać kwantowe akumulatory. Podstawowe pytanie, na jakie chcą odpowiedzieć w przyszłości, brzmi: czy akumulatory kwantowe mogą dostarczyć pracy (energii uporządkowanej) czy jedynie ciepła (energii nieuporządkowanej).
To, co w naszej pracy nazywamy "kwantowym akumulatorem" istnieje już w laboratoriach. Każdy kontrolowany system kwantowy ze stabilnymi stanami energetycznymi może być postrzegany jako akumulator. Pytanie brzmi, czy taki termodynamiczny opis systemów kwantowych może być pomocy podczas eksperymentów z jonami, atomami, materią skondensowaną czy światłem - zastanawia się Binder.

« powrót do artykułu