Квантовые батареи могут выдавать больше энергии, чем хранят: как это возможно

Устройство может получить больше энергии, чем отдает подключенная к нему квантовая батарея. Так показало исследование, о котором пишет издание New Scientist.

В конечном итоге устройство может потратить больше энергии, чем изначально хранилось в батарее. Но для этого недостаточно просто воткнуть кабель — донор и получатель должны находиться в особом квантовом состоянии. Ученые изучают этот процесс, чтобы научиться эффективно питать квантовые компьютеры и датчики.

"Если батарея и устройство имеют некоторую информацию друг о друге, если они коррелированы, то иногда ваше устройство сможет получить больше, чем дает батарея", — объяснила Карен Оганесян из Потсдамского университета в Германии.

Чтобы оказаться в таком состоянии, они должны быть квантово "запутанными". Способ изменения квантового состояния каждого участника процесса во время зарядки всегда зависит от информации, которую они "знают" друг о друге.

Количество полезной работы, которую устройство может получить от квантового устройства хранения энергии, такого как квантовая батарея, называется эрготропией, и часть ее обычно теряется, когда они соединяются. В то время как обычные аккумуляторы могут отдавать почти весь свой заряд, квантовые батареи не всегда способны передать всю свою эрготропию. Но если квантовая запутанность делает поведение источника энергии и устройства неразделимым, то, условно, батарейка типа AAA может производить энергию больше, чем типа AA.

Карен Оганесян и его коллеги доказали это с помощью математического анализа и компьютерного моделирования процесса квантовой зарядки. Они смоделировали батарею и устройство как пару квантовых битов, подобных тем, которые используются для создания квантовых компьютеров, затем сравнили, сколько эрготропии они обменяли, если они выбрали свои соответствующие квантовые состояния из двух разных математических наборов — один, где все пары состояний устройства и батареи были неразделимы или коррелированы, и другой, где эти два всегда можно было рассматривать как независимые.

По словам участника исследования Рика Саймона из Университета Эксетера в Великобритании, было сложно точно доказать, что без корреляций часть эрготропии всегда теряется во время передачи. Однако в конечном итоге команда определила, что корреляции являются бесценным ресурсом для квантовых батарей и позволяют им отдавать больше заряда, чем они хранят.

Это открытие очень важно понимания того, когда квантовые батареи могут быть полезны на практике, говорит Фарнам Бахшинежад из Венского технического университета в Австрии. Для каждой операции, которую будет обеспечивать такая батарея, полезно знать, какие корреляции могут сделать процесс более эффективным, а также сколько энергии потребуется для установки этих корреляций.

Сообщали также, что ученые смогли зарядить квантовую батарею с помощью зеркал, нарушив правила обычной физики. Их достижение поможет установить аккумуляторы нового типа в электромобили и компактные устройства.