Forskare från Japans RIKEN Center for Quantum Computing och Kinas Huazhong University of Science and Technology har utvecklat en teoretisk modell för en topologisk kvantbatteri. Denna design utnyttjar fotoniska vågledare för att möjliggöra effektiv energöverföring över långa avstånd utan dissipation. Resultaten tyder på potentiella framsteg inom nanoskala energilagring och kvant-enheter.
I en studie publicerad i Physical Review Letters beskrev forskarna Zhi-Guang Lu, Guoqing Tian, Xin-You Lü och Cheng Shang ett nytt tillvägagångssätt för kvantbatterier. Dessa enheter lagrar energi med kvantfenomen som superposition, intrassling och koherens, och erbjuder fördelar som snabbare laddning och högre effektivitet jämfört med traditionella batterier.
Traditionella kvantsystem står inför betydande hinder, inklusive energiförlust genom dekoherens och dissipation, särskilt i icke-topologiska fotoniska vågledare där imperfektioner orsakar att fotoner sprids. Forskarnas lösning var att integrera topologiska egenskaper — strukturella drag som kvarstår trots böjningar eller vridningar — i batteridesignen. Detta möjliggör nästan perfekt energöverföring och immunitet mot dissipation när laddningskällan och batteriet är på samma plats, begränsat till en enda sublattice.
En fascinerande upptäckt var att dissipation, som vanligtvis är skadlig, kan tillfälligt öka laddningskraften när den överstiger en kritisk nivå, vilket utmanar tidigare antaganden om energiförlust.
"Vår forskning ger nya insikter från ett topologiskt perspektiv och ger oss ledtrådar mot realiseringen av högpresterande mikro-energilagring. Genom att övervinna de praktiska prestandabegränsningarna för kvantbatterier orsakade av långdistans energitransmission och dissipation hoppas vi påskynda övergången från teori till praktisk tillämpning av kvantbatterier," sa Zhi-Guang Lu, den första författaren.
"Tittar vi framåt," tillade Cheng Shang, den korresponderande författaren, "kommer vi att fortsätta arbeta för att överbrygga gapet mellan teoretisk studie och praktisk utplacering av kvant-enheter — inledande den kvantära som vi länge har föreställt oss."
Arbetet lovar applikationer inom nanoskala energilagring, optisk kvantkommunikation och distribuerad kvantdator, mitt i växande behov av hållbara energilösningar.