Причинність є ключовою для нашого досвіду реальності: падіння склянки, наприклад, змушує її розбиватися, тому вона не може розбити, перш ніж її впустять. Але у квантовому світі ці правила не обов’язково застосовуються, і тепер вчені продемонстрували, як цю дивовижність можна використовувати для заряджання квантової батареї.
У певному сенсі можна сказати, що квантові батареї харчуються парадоксами. На папері вони працюють, накопичуючи енергію у квантових станах атомів і молекул, але, звісно, щойно в розмову входить слово «квант», ви розумієте, що ось-ось станеться дивна річ. У цьому випадку нове дослідження виявило, що квантові батареї можуть працювати, порушуючи причинно-наслідкові зв’язки, які ми знаємо.
«Поточні батареї для малопотужних пристроїв, таких як смартфони або датчики, зазвичай використовують такі хімікати, як літій, для зберігання заряду, тоді як квантова батарея використовує мікроскопічні частинки, такі як масиви атомів», — сказав Юаньбо Чен, автор дослідження. «У той час, як хімічні батареї керуються класичними законами фізики, мікроскопічні частинки мають квантову природу, тож у нас є шанс дослідити способи їх використання, які порушують або навіть порушують наші інтуїтивні уявлення про те, що відбувається в малих масштабах. Мене особливо цікавить те, як квантові частинки можуть працювати, щоб порушити один із наших найфундаментальніших досвідів, досвід часу».
У класичній фізиці – тій, яку ми відчуваємо у великомасштабному світі – причинність чітко лінійна. Повертаючись до попередньої аналогії, падіння склянки (Подія A) призводить до її розбивання (Подія B), але ви не можете змінити зв’язок між цими двома подіями. Скло не впало, бо було розбито. Але в моторошній царині квантової фізики це обмеження не обов’язково. І запікання цього парадоксу у квантову батарею може допомогти зробити їх більш ефективними.
У новому дослідженні вчені Токійського університету провели лабораторний експеримент з використанням лазерів, лінз і дзеркал, які діють як великомасштабна квантова батарея. Заряджання цих батарей зазвичай вимагає кількох етапів заряджання, які працюють один за одним, але тут команда скористалася квантовим ефектом, який називається невизначеним причинним порядком (ICO). По суті, як тільки вони переводять систему в квантову суперпозицію, причинний порядок може існувати в обох напрямках одночасно, дозволяючи численним етапам заряджання працювати разом, а не послідовно.
«За допомогою ICO ми продемонстрували, що спосіб заряджання батареї, що складається з квантових частинок, може суттєво вплинути на її продуктивність», — сказав Чен. «Ми побачили величезні переваги як в енергії, що накопичується в системі, так і в тепловій ефективності. І дещо суперечливо, ми виявили дивовижний ефект взаємодії, який є зворотним до того, що ви могли б очікувати: зарядний пристрій меншої потужності може забезпечити вищу енергію з більшою ефективністю, ніж зарядний пристрій порівняно більшої потужності, використовуючи той самий пристрій».
Можливо, більшості людей важко розібратися, але квантові батареї одного разу можуть стати реальністю. Наразі вони існують лише як лабораторні експерименти, але вчені повільно перевіряють їх різні аспекти з остаточною метою з’ясувати, як об’єднати різні частини в робоче ціле.