Квантові батареї можуть видавати більше енергії, ніж зберігають: як це можливо

Пристрій і джерело енергії мають бути пов’язані і перебувати в одному квантовому стані. Моделювання показало, що це можливо, хоча й складно.

Пристрій може отримати більше енергії, ніж віддає підключена до нього квантова батарея. Так показало дослідження, про яке пише видання New Scientist.

Зрештою пристрій може витратити більше енергії, ніж спочатку зберігалося в батареї. Але для цього недостатньо просто увіткнути кабель — донор і одержувач повинні перебувати в особливому квантовому стані.

Вчені вивчають цей процес, щоб навчитися ефективно живити квантові комп’ютери і датчики.

«Якщо батарея і пристрій мають деяку інформацію один про одного, якщо вони корельовані, то іноді ваш пристрій зможе отримати більше, ніж дає батарея», — пояснила Карен Оганесян з Потсдамського університету в Німеччині.

Щоб опинитися в такому стані, вони мають бути квантово «заплутаними». Спосіб зміни квантового стану кожного учасника процесу під час заряджання завжди залежить від інформації, яку вони «знають» один про одного.

Кількість корисної роботи, яку пристрій може отримати від квантового пристрою зберігання енергії, як-от квантова батарея, називається ерготропією, і частина її зазвичай втрачається, коли вони з’єднуються. У той час як звичайні акумулятори можуть віддавати майже весь свій заряд, квантові батареї не завжди здатні передати всю свою ерготропію. Але якщо квантова заплутаність робить поведінку джерела енергії та пристрою нероздільною, то, умовно, батарейка типу AAA може виробляти енергію більше, ніж типу AA.

Карен Оганесян і її колеги довели це за допомогою математичного аналізу та комп’ютерного моделювання процесу квантового заряджання. Вони змоделювали батарею і пристрій як пару квантових бітів, подібних до тих, що використовуються для створення квантових комп’ютерів, потім порівняли, скільки ерготропії вони обміняли, якщо вони вибрали свої відповідні квантові стани з двох різних математичних наборів — один, де всі пари станів пристрою і батареї були нероздільні або корельовані, і інший, де ці два завжди можна було розглядати як незалежні.

За словами учасника дослідження Ріка Саймона з Університету Ексетера у Великій Британії, було складно точно довести, що без кореляцій частина ерготропії завжди втрачається під час передавання. Однак зрештою команда визначила, що кореляції є безцінним ресурсом для квантових батарей і дають змогу їм віддавати більше заряду, ніж вони зберігають.

Це відкриття дуже важливе для розуміння того, коли квантові батареї можуть бути корисними на практиці, каже Фарнам Бахшинежад з Віденського технічного університету в Австрії. Для кожної операції, яку забезпечуватиме така батарея, корисно знати, які кореляції можуть зробити процес ефективнішим, а також скільки енергії буде потрібно для встановлення цих кореляцій.