Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойФизикаРазрыв причинности: революционная сила квантовых батарей

Разрыв причинности: революционная сила квантовых батарей

- Advertisement -

Квантовые батареи с их инновационными методами зарядки представляют собой прорыв в аккумуляторных технологиях, обещая более высокую эффективность и более широкое применение в решениях в области устойчивой энергетики. Фото: SciTechDaily.com

Новый способ зарядки аккумуляторов использует силу «неопределённого причинно-следственного порядка».

Батареи, использующие квантовые явления для получения, распределения и хранения энергии, обещают превзойти возможности и полезность обычных химических батарей в некоторых приложениях с низким энергопотреблением. Впервые исследователи, в том числе из Токийского университета, воспользовались неинтуитивным квантовым процессом, игнорирующим традиционное представление о причинности, для улучшения производительности так называемых квантовых батарей, приближая эту будущую технологию немного ближе к реальности.

Квантовые батареи в устойчивой энергетике

Когда вы слышите слово «квант», физика, управляющая субатомным миром, разработки в области квантовых компьютеров, как правило, привлекают внимание заголовков, но есть и другие предстоящие квантовые технологии, на которые стоит обратить внимание. Одним из таких объектов является квантовая батарея, которая, хотя ее название изначально озадачивает, таит в себе неизведанный потенциал для создания устойчивых энергетических решений и возможной интеграции в будущие электромобили. Тем не менее, эти новые устройства могут найти применение в различных портативных устройствах с низким энергопотреблением, особенно когда возможности подзарядки ограничены.

В классическом мире, если бы вы попытались зарядить аккумулятор с помощью двух зарядных устройств, вам пришлось бы делать это последовательно, ограничивая доступные варианты всего двумя возможными порядками. Однако использование нового квантового эффекта под названием ICO открывает возможность заряжать квантовые батареи совершенно нетрадиционным способом. Здесь одновременно могут существовать несколько зарядных устройств, расположенных в разном порядке, образуя квантовую суперпозицию. Фото: ©2023 Чен и др.

Достижения в области исследований в области квантовых батарей

В настоящее время квантовые батареи существуют только в виде лабораторных экспериментов, и исследователи по всему миру работают над различными аспектами, которые, как надеются, однажды объединятся в полностью функциональное и практическое применение. Аспирант Юаньбо Чен и доцент Ёсихико Хасэгава с факультета информатики и коммуникационной инженерии Токийского университета исследуют лучший способ зарядки квантовой батареи, и именно здесь в игру вступает время. Одним из преимуществ квантовых батарей является то, что они должны быть невероятно эффективными, но это зависит от способа их зарядки.

«Современные батареи для маломощных устройств, таких как смартфоны или датчики, обычно используют химические вещества, такие как литий, для хранения заряда, тогда как квантовая батарея использует микроскопические частицы, такие как массивы атомов», — сказал Чен. «Хотя химические батареи подчиняются классическим законам физики, микроскопические частицы имеют квантовую природу, поэтому у нас есть возможность изучить способы их использования, которые искажают или даже разрушают наши интуитивные представления о том, что происходит в малых масштабах. Меня особенно интересует, как квантовые частицы могут нарушить один из наших самых фундаментальных явлений — опыт времени».

Хотя он все еще немного больше, чем батарея АА, которую вы можете найти дома, экспериментальное устройство, действующее как квантовая батарея, продемонстрировало характеристики зарядки, которые однажды могут улучшить батарею в вашем смартфоне. Фото: ©2023 Чжу и др.

Методы квантовой зарядки

В сотрудничестве с исследователем Гаояном Чжу и профессором Пэн Сюэ из Пекинского научно-исследовательского центра вычислительной техники команда экспериментировала со способами зарядки квантовой батареи с помощью оптических устройств, таких как лазеры, линзы и зеркала, но способ, которым они этого добились, потребовал квантового эффекта, при котором события не связаны причинно-следственной связью, как повседневные вещи. Более ранние методы зарядки квантовой батареи включали серию стадий зарядки одна за другой. Однако здесь команда вместо этого использовала новый квантовый эффект, который они называют неопределенным причинным порядком или ICO. В классической сфере причинность следует четкому пути, а это означает, что если событие A приводит к событию B, то возможность того, что B вызывает событие A, исключается. Однако на квантовом уровне ICO допускает существование обоих направлений причинности в так называемой квантовой суперпозиции, где оба могут быть истинными одновременно.

Здравая интуиция подсказывает, что более мощное зарядное устройство приводит к более сильному заряду аккумулятора. Однако открытие, сделанное в ходе ICO, вносит примечательный разворот в эту взаимосвязь; теперь становится возможным заряжать более энергичную батарею при значительно меньшей мощности. Фото: ©2023 Чен и др.

Последствия исследования квантовых батарей

«С помощью ICO мы продемонстрировали, что способ зарядки аккумулятора, состоящего из квантовых частиц, может существенно повлиять на его производительность», — сказал Чен. «Мы увидели огромный прирост как в энергии, запасенной в системе, так и в термическом КПД. И, как это ни парадоксально, мы обнаружили удивительный эффект взаимодействия, который противоположен тому, что вы могли ожидать: зарядное устройство меньшей мощности может обеспечить более высокую энергию с большей эффективностью, чем зарядное устройство сравнительно большей мощности, использующее то же устройство».

Феномен ICO, который исследовала команда, может найти применение не только в зарядке нового поколения маломощных устройств. Основополагающие принципы, включая обнаруженный здесь эффект обратного взаимодействия, могут улучшить выполнение других задач, связанных с термодинамикой или процессами, включающими передачу тепла. Одним из многообещающих примеров являются солнечные панели, тепловые эффекты которых могут снизить их эффективность, но ICO можно использовать для смягчения этих последствий и вместо этого привести к повышению эффективности.

Ссылка: «Зарядка квантовых батарей посредством неопределенного причинно-следственного порядка: теория и эксперимент», Гаоян Чжу, Юаньбо Чен, Ёсихико Хасэгава и Пэн Сюэ, 13 декабря 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.240401.

Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 92265209 и 12025401). YH благодарит за поддержку грант JSPS KAKENHI номер JP22H03659. YC благодарит компанию JST SPRING за поддержку, номер гранта JPMJSP2108.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме