Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει διάφορες κβαντικές τεχνολογίες, εναλλακτικές λύσεις στις κλασικές συσκευές που λειτουργούν αξιοποιώντας τις αρχές της κβαντομηχανικής. Αυτές οι τεχνολογίες έχουν τη δυνατότητα να ξεπεράσουν τις κλασικές αντίστοιχες σε συγκεκριμένα περιβάλλοντα ή σενάρια.
Μεταξύ των πολλών κβαντικών τεχνολογιών που έχουν προταθεί και αναπτυχθεί μέχρι σήμερα συγκαταλέγονται οι κβαντικές μπαταρίες, δηλαδή συσκευές αποθήκευσης ενέργειας που θα μπορούσαν θεωρητικά να αποθηκεύουν ενέργεια πιο αποδοτικά από τις κλασικές μπαταρίες, ενώ θα φορτίζουν και πιο γρήγορα. Παρά τις προβλεπόμενες δυνατότητές τους, οι περισσότερες λύσεις κβαντικών μπαταριών που έχουν προταθεί μέχρι σήμερα δεν έχουν αποδείξει ότι παρουσιάζουν γνήσιο κβαντικό πλεονέκτημα, ή αλλιώς, ότι αποδίδουν καλύτερα από τις κλασικές τους αντίστοιχες.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο PSL και το Πανεπιστήμιο της Πίζας παρουσίασαν πρόσφατα ένα νέο, παραπλανητικά απλό, μοντέλο κβαντικής μπαταρίας, το οποίο θα μπορούσε να επιδείξει ένα γνήσιο κβαντικό πλεονέκτημα έναντι μιας κλασικής αναλογικής μπαταρίας. Το νέο μοντέλο, που περιγράφεται σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, διαπιστώθηκε ότι επιτυγχάνει επιτυχώς το λεγόμενο κβαντικό όριο ταχύτητας, δηλαδή τη μέγιστη ταχύτητα που ένα κβαντικό σύστημα μπορεί θεωρητικά να επιτύχει.
Ο ρόλος της εμπλοκής και του χώρου Hilbert στην ταχύτερη φόρτιση
«Οι κβαντικές μπαταρίες είναι μικροσκοπικές συσκευές που μπορούν να επιδείξουν κβαντικά πλεονεκτήματα έναντι των κλασικών τους αντιστοίχων σε καθήκοντα που σχετίζονται με την ενέργεια», δήλωσαν στο Phys.org οι Vittoria Stanzione και Gian Marcello Andolina, συγγραφείς του άρθρου.
«Αυτός ο τομέας έρευνας προήλθε από τη θεωρία της κβαντικής πληροφορίας, η οποία προβλέπει ότι οι κβαντικοί πόροι -όπως η εμπλοκή- μπορούν να ενισχύσουν δραματικά τη δύναμη φόρτισης των κβαντικών συστημάτων».
Τα τελευταία χρόνια, κάποιοι από τους συγγραφείς του παρόντος έργου πρότειναν ένα μοντέλο που παρουσίαζε τέτοιο κβαντικό πλεονέκτημα: το μοντέλο Sachdev–Ye–Kitaev (SYK). Ωστόσο, αυτό το μοντέλο είναι ιδιαίτερα περίπλοκο, τόσο πειραματικά -λόγω των αλληλεπιδράσεων πολλών σωμάτων- όσο και θεωρητικά, καθώς είναι δύσκολο να αναλυθεί.
Προηγούμενες εργασίες που απέδειξαν το κβαντικό πλεονέκτημα μπαταριών βασισμένων στο μοντέλο SYK το έκαναν μόνο μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων, χωρίς να διεξάγουν περαιτέρω αναλύσεις. Βασιζόμενοι στις προηγούμενες προσπάθειές τους, οι Stanzione, Andolina και οι συνεργάτες τους επιχείρησαν να εντοπίσουν το απλούστερο δυνατό μοντέλο κβαντικής μπαταρίας που θα μπορούσε να εμφανίσει κβαντικό πλεονέκτημα όσον αφορά την ισχύ φόρτισης.
Δύο ταλαντωτές και μια μη αρμονική αλληλεπίδραση
«Το μοντέλο μας αποτελείται από δύο συζευγμένους αρμονικούς ταλαντωτές: ο ένας λειτουργεί ως “φορτιστής” και ο άλλος ως “μπαταρία”», εξήγησαν οι Stanzione και Andolina.
«Το βασικό συστατικό που επιτρέπει το κβαντικό πλεονέκτημα είναι μια μη αρμονική αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο ταλαντωτών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης. Αυτός ο μη αρμονικός συζευγμός επιτρέπει στο σύστημα να προσπελάσει μη κλασικές, εμπλεγμένες καταστάσεις που ουσιαστικά δημιουργούν μια “συντόμευση” στον χώρο Hilbert, επιτρέποντας ταχύτερη μεταφορά ενέργειας απ’ ό,τι στην κλασική δυναμική».
Για να πιστοποιήσουν αυστηρά το κβαντικό πλεονέκτημα του μοντέλου τους, οι ερευνητές το συνέκριναν με ένα κατάλληλο κλασικό μοντέλο μπαταρίας, ενώ παράλληλα εφάρμοσαν ένα τυπικό όριο που είχε προσδιοριστεί από τον Maciej Lewenstein και άλλους ερευνητές από το Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών (ICFO) στη Βαρκελώνη. Συνολικά, τα ευρήματά τους υποδηλώνουν ότι το κβαντικό μοντέλο μπαταρίας τους υπερέχει του κλασικού αντίστοιχου.
«Σύμφωνα με τις γνώσεις μας, αυτό το έργο παρέχει την πρώτη αυστηρή πιστοποίηση ενός γνήσιου κβαντικού πλεονεκτήματος σε ένα επιλύσιμο μοντέλο», δήλωσαν οι Stanzione και Andolina. «Επιπλέον, η προτεινόμενη διάταξη μπορεί να υλοποιηθεί με τις υπάρχουσες πειραματικές τεχνολογίες».
Προς μια πραγματική υλοποίηση της κβαντικής μπαταρίας
Μέχρι στιγμής, το μοντέλο των ερευνητών παραμένει θεωρητικό, και απαιτείται ακόμα σημαντική εργασία πριν μπορέσει να υλοποιηθεί πειραματικά. Στο άρθρο τους, η ομάδα εξετάζει συνοπτικά τη δυνατότητα υλοποίησης του προτεινόμενου μοντέλου μπαταρίας χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα κυκλώματα, δηλαδή ηλεκτρικά κυκλώματα κατασκευασμένα από υλικά που παρουσιάζουν μηδενική αντίσταση σε χαμηλές θερμοκρασίες.
«Πλέον σχεδιάζουμε να συνεργαστούμε με πειραματικές ομάδες στο μέλλον ώστε να επιδιώξουμε μια απόδειξη κατ’ αρχήν της υλοποίησης», πρόσθεσαν οι Stanzione και Andolina.
«Ταυτόχρονα, η ανάπτυξη μιας πλήρως λειτουργικής κβαντικής μπαταρίας -ενσωματωμένης με άλλες κβαντικές τεχνολογίες– παραμένει ένας μακρινός στόχος. Ελπίζουμε ότι το έργο μας θα ενθαρρύνει περαιτέρω έρευνα πάνω σε αυτό το συναρπαστικό θέμα, προωθώντας την πρόοδο τόσο στη θεωρητική όσο και στην πειραματική κατεύθυνση».
Περισσότερες πληροφορίες: Gian Marcello Andolina et al, Genuine Quantum Advantage in Anharmonic Bosonic Quantum Batteries, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kzvn-dj7v . Στο arXiv : arxiv.org/abs/2409.08627
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters , arXiv
