Ученые из Центра квантовых вычислений RIKEN и Хуачжунского университета науки и технологий провели теоретическое исследование, показавшее, как можно эффективно спроектировать «топологическую квантовую батарею». Эта инновационная концепция использует топологические свойства фотонных волноводов и квантовое поведение двухуровневых атомов для хранения и передачи энергии. Открытия, опубликованные в *Physical Review Letters*, указывают на потенциальные области применения в наноразмерном хранении энергии, оптической квантовой связи и распределенных квантовых вычислительных системах. Эти устройства могут совершить революцию в хранении энергии, используя квантовые и топологические эффекты для достижения идеальной передачи энергии и устойчивости к ее рассеянию.
В условиях растущей глобальной озабоченности экологической устойчивостью, исследователи активно ищут новые подходы к хранению энергии. Квантовые батареи – миниатюрные теоретические устройства, которые накапливают энергию, используя квантовые феномены, такие как суперпозиция, запутанность и когерентность, вместо традиционных химических реакций, – потенциально могут переосмыслить методы хранения и передачи энергии. В теории, эти батареи могут превосходить обычные аналоги по нескольким параметрам, включая быструю зарядку, большую емкость и повышенную эффективность извлечения энергии.
Несмотря на многообещающие прогнозы, практическое применение квантовых батарей оставалось недостижимым. В реальных условиях эти системы особенно уязвимы для потерь энергии и декогеренции – процесса, при котором квантовые системы теряют свои ключевые свойства, такие как запутанность и суперпозиция, что приводит к снижению производительности. В фотонных системах, использующих обычные (нетопологические) волноводы – каналы, направляющие фотоны, но чувствительные к изгибам или несовершенствам – эффективность энергии резко падает по мере рассеивания фотонов внутри проводника. Дополнительные проблемы, такие как внешний шум, диссипация и структурные нарушения, еще больше подрывают стабильность и эффективность хранения.
Для решения этих постоянных проблем международная исследовательская группа применила аналитическое и численное моделирование в рамках теоретической концепции. Используя топологические свойства – характеристики материалов, которые остаются неизменными даже при деформации или изгибе, – ученые показали, что можно добиться как передачи энергии на большие расстояния, так и устойчивости к диссипации в квантовых батареях. В неожиданном повороте событий исследователи также обнаружили, что диссипация, которая обычно ослабляет производительность, может временно увеличивать мощность зарядки при определенных условиях.
Исследование выявило несколько многообещающих результатов, приближающих топологические квантовые батареи к практическому применению. Команда продемонстрировала, что топологическая природа фотонных волноводов обеспечивает почти идеальную передачу энергии. Когда источник зарядки и батарея занимают одно и то же место, система приобретает устойчивость к диссипации, ограниченную одной подрешеткой. Ученые также обнаружили, что, когда диссипация превышает критический уровень, мощность зарядки кратковременно, но значительно возрастает, опровергая давнее предположение о том, что потеря энергии всегда пагубна.
«Наше исследование предоставляет новые идеи с топологической точки зрения и дает нам подсказки для создания высокопроизводительных микроэнергетических накопителей, – отметил Чжи-Гуан Лу, первый автор статьи. – Преодолевая практические ограничения производительности квантовых батарей, вызванные передачей энергии на большие расстояния и диссипацией, мы надеемся ускорить переход от теории к практическому применению квантовых батарей». Чэн Шан, соавтор международного исследования, добавил: «В будущем мы продолжим работать над устранением разрыва между теоретическими исследованиями и практическим развертыванием квантовых устройств – открывая квантовую эру, о которой мы давно мечтали».
