Учёные собрали батарею, которую не берут ни потери, ни хаос — квантовая топология в деле

Учёные из Центра квантовых вычислений RIKEN и Хуачжунского университета науки и технологий представили теоретический анализ, который показывает, как можно эффективно спроектировать «топологическую квантовую батарею» — перспективное устройство, использующее топологические свойства фотонных волноводов и квантовые эффекты двухуровневых атомов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters и открывает новые возможности для хранения энергии на наноуровне, оптических квантовых коммуникаций и распределённых квантовых вычислений.

На фоне растущей мировой озабоченности вопросами экологической устойчивости создание новых систем хранения энергии становится ключевой задачей. Квантовые батареи — гипотетические миниатюрные устройства, которые, в отличие от классических батарей, основанных на химических реакциях, используют квантовые эффекты вроде суперпозиции, запутанности и когерентности — обещают качественно новые возможности для хранения и передачи энергии.

С точки зрения принципа работы такие батареи потенциально превосходят классические по ряду параметров: они способны обеспечивать более высокую мощность зарядки, большую ёмкость и более эффективное извлечение энергии.

Хотя за последние годы появилось множество теоретических концепций квантовых батарей, до их практической реализации всё ещё далеко. Основные препятствия — потери энергии и декогеренция, то есть утрата квантовых свойств системы (например, запутанности и суперпозиции) из-за взаимодействия с внешней средой. Эти эффекты приводят к снижению эффективности работы и потере энергии, что особенно актуально при дистанционной зарядке.

В фотонных системах, использующих обычные (нетопологические) волноводы, любые искажения — например, изгибы волновода — приводят к рассеянию фотонов и резкому снижению эффективности накопления энергии. Кроме того, на работу батарей негативно влияют шумы и беспорядок в системе, вызывая декогеренцию и снижая их производительность.

В новом исследовании команда учёных предложила теоретическую модель и провела вычисления, которые позволили решить две ключевые проблемы, мешавшие переходу к практическому использованию квантовых батарей. Используя топологические свойства — то есть характеристики материалов, которые сохраняются при деформациях, изгибах и скручиваниях, — исследователи доказали возможность идеальной дистанционной зарядки и защиты от потерь энергии.

Неожиданно оказалось, что диссипация — процесс, обычно считающийся вредным для батарей, — может временно усиливать мощность зарядки, а не только снижать её. Учёные продемонстрировали преимущества топологических квантовых батарей, которые потенциально делают их пригодными для реального применения. Например, удалось добиться почти идеального переноса энергии за счёт топологических свойств фотонных волноводов .

Кроме того, когда зарядное устройство и батарея находятся в одной точке, система оказывается устойчивой к потерям энергии в пределах определённой подсистемы. Исследователи также показали: если потери превышают критический уровень, происходит кратковременный всплеск мощности зарядки — вопреки традиционным представлениям о том, что любые потери всегда вредны.

«Наше исследование даёт новый взгляд на проблему с топологической точки зрения и подсказывает пути создания эффективных миниатюрных устройств хранения энергии. Мы надеемся, что эти результаты помогут преодолеть практические ограничения, связанные с дистанционной передачей энергии и её потерями, и приблизят появление квантовых батарей в реальных технологиях», — отметил первый автор работы Чжи-Гуанг Лу.

«В дальнейшем мы будем работать над тем, чтобы сократить разрыв между теорией и практикой, чтобы мечта о квантовой эре наконец стала реальностью», — добавил руководитель международной исследовательской группы Чэн Шанг.