Вчені зробили важливий крок до створення джерела енергії нового покоління — так званої топологічної квантової батареї. На відміну від традиційних акумуляторів, які зберігають енергію за рахунок хімічних реакцій, ця система використовує закони квантової механіки та унікальні властивості топології, дозволяючи заряджатися майже без втрат енергії.
Дослідники з Центру квантових обчислень RIKEN у Японії та Університету науки й технологій Хуачжун у Китаї розробили теоретичну модель батареї, що поєднує топологічні властивості фотонних хвилеводів і поведінку двохрівневих атомів. Їхня робота, опублікована в журналі Physical Review Letters, відкриває шлях до створення надефективних джерел живлення для квантових комп’ютерів, нанопристроїв і оптичних мереж зв’язку.
Квантовий стрибок у зберіганні енергії
Квантові батареї — це не просто мініатюрні аналоги звичайних. Вони використовують явища суперпозиції, заплутаності та когерентності, що дозволяє накопичувати енергію швидше, ефективніше й у більших обсягах. На відміну від звичних літій-іонних акумуляторів, квантова система не старіє через хімічні процеси та теоретично може забезпечити миттєву зарядку.
Та попри десятки теоретичних моделей, реальні квантові батареї залишаються радше мрією, ніж технологією. Головна перешкода — декогеренція, коли зовнішні фактори руйнують квантовий стан системи, позбавляючи її унікальних властивостей. Додайте до цього втрати енергії під час передачі, шум навколишнього середовища та структурні дефекти — і стає зрозуміло, чому практична реалізація таких батарей досі складна.
Коли втрати стають перевагою
Команда RIKEN і Хуачжунського університету запропонувала несподіване рішення: використати топологічні властивості матеріалів, які залишаються стабільними навіть при деформаціях. Це дозволило створити модель, де енергія передається на великі відстані без втрат. Більш того, вчені виявили парадоксальний ефект — під певних умов дисипація (втрата енергії) може тимчасово підвищувати потужність заряджання.
Іншими словами, процес, який зазвичай вважається шкідливим, у цій системі може працювати на користь. Коли рівень дисипації перевищує критичне значення, заряджання батареї стає ефективнішим.
Батарея, що не знає меж
Завдяки топологічним хвилеводам така батарея зможе передавати енергію з майже ідеальною ефективністю, а при розміщенні зарядного пристрою та накопичувача в одній області система стає майже невразливою до втрат. Це відкриває потенціал для створення мікроенергетичних систем, які можна буде використовувати у квантових комп’ютерах, нанороботах та оптичних комунікаційних мережах.
“Наше дослідження дає нове бачення з топологічної точки зору та показує, що можливо подолати обмеження, які досі гальмували розвиток квантових батарей,” — зазначає провідний автор роботи Чжи-Гуанг Лу.
Шлях до квантової енергетики майбутнього
Попри те, що розробка поки існує лише на теоретичному рівні, учені переконані — це важливий крок до створення реальних квантових пристроїв. “Ми прагнемо перетворити наші моделі на практичні рішення і тим самим зробити ще один крок до ери квантових технологій,” — додає керівник міжнародної команди Чен Шан.
Якщо ці теорії втіляться в життя, майбутнє енергетики може змінитися назавжди: батареї, що заряджаються миттєво, не втрачають енергії і працюють десятиліттями — вже не фантастика, а цілком реальна наукова мета.