Квантовые аккумуляторы: быстрее, еще быстрее

Устройства хранения энергия в квантовых состояниях способны заряжаться быстрее, чем обычные аккумуляторы 4 Август 2015, 16:28
Международная группа физиков получила результаты, которые показывают, что квантовый аккумулятор — по сути, квантовая система, такая как кубит, которая хранит энергию в квантовых состояниях — может теоретически заряжаться быстрее, чем обычные аккумуляторы. Это «квантовое ускорение» возникает из-за квантовой запутанности большого количества кубитов, которая, по существу, дает наименьшую дистанцию между заряженным и незаряженным состояниями кубита, что делает возможной более быструю зарядку. 
Группа физиков под руководством Феликса С. Биндера (Felix C. Binder) опубликовала в последнем выпуске New Journal of Physics статью о квантовом аккумуляторе, который он назвал «квантовым элементом» (quantacell). «Нас очень интересовал вопрос, может ли квантовая физика дать какое-либо преимущество в термодинамических процессах (термодинамика изучает работу и тепло, и их взаимопревращения), — говорит Биндер, физик из Оксфордского университета. — Наша статья демонстрирует на примере, что в самом деле может быть получено значительное преимущество, когда требуется малая длительность процесса – квантовые корреляции (квантовая запутанность) могут привести к значительному ускорению».
Массив кубитов (A) может заряжаться либо параллельно (B), либо глобально (C). Результаты показывают, что когда во время зарядки для массива разрешены глобальные операции квантовой запутанности, скорость зарядки увеличивается с увеличением количества кубитов.
Ученые исследовали квантовый аккумулятор, сделанный из кубитов, которые могут принимать различные физические формы, такие как ионы, нейтральные атомы, фотоны и т.д. Кубиты могут находиться в одном из двух состояний, или в суперпозиции обеих состояний одновременно. В квантовом аккумуляторе два состояния представляют разные уровни энергии. Зарядка квантового аккумулятора означает изменение состояния кубита с более низкого уровня на более высокий уровень энергии, а разрядка аккумулятора изменяет состояния кубита в обратном порядке. Ученые называют эти отдельные кубиты «рабочими кубитами» (work qubits, «wits»), поскольку они могут сохранять энергию, которая впоследствии используется для выполнения работы.
До настоящего времени это описание совпадало с тем, как работает обычный аккумулятор. Однако важное различие состоит в том, что, как квантовые системы, кубиты могут иметь квантовую запутанность, что означает, что кубиты строго коррелируются так, что весь массив кубитов может быть описан одним и тем же квантовым состоянием. И при этом исследователи показали, что одно из следствий квантовой запутанности кубитов во время процесса зарядки состоит в том, что через пространство состояний проходится более короткое расстояние – то есть, между состояниями низкого и высокого уровней энергии – чем расстояние, которое потребовалось бы без квантовой запутанности.
Ученые показали, что чем больше кубитов, и, следовательно, больше квантовая запутанность, тем быстрее процесс зарядки. Согласно приведенному протоколу время зарядки обратно пропорционально количеству кубитов. Поэтому гипотетически, если одному рабочему кубиту требуется час для зарядки, шесть рабочих кубитов могут быть заряжены за 10 минут. Однако в действительности обычные квантовые системы не могут удерживать квант на протяжении этого времени из-за декогеренции – взаимодействий с окружающей средой, которые уничтожают квантовые эффекты.
Сфера Блоха, изображающая «конус состояний», который достигает максимальной средней мощности, т.е. наименьшего времени зарядки. Квантовое ускорение происходит из-за более короткой дистанции, которая должна быть пройдена между состояниями, когда разрешена квантовая спутанность.
Кроме декогеренции есть еще другое препятствие использования квантовых аккумуляторов в практических приложениях. Оно состоит в том, что количество энергии, которое они могут хранить, ничтожно по сравнению с потребностями в энергии, например, у мобильных телефонов или электрических устройств.
«Энергия квантовых систем имеет тенденцию быть на много порядков меньше, чем даже самая малая энергия, используемая в устройствах повседневного применения, — говорит один из авторов исследования Джон Гулд (John Goold), физик из Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама в Триесте. — При этом объем — вопрос энергетических масштабов. Наше исследование — теоретическое подтверждает, что квантовая физика может дать ускорение при подаче энергии в систему. Эти эффекты ускорения могут быть существенны в двух случаях: 1) механические устройства становятся настолько малыми, что масштабы их энергии сопоставимы с текущими реализациями квантовых систем. 2) Квантовые системы увеличиваются в масштабах и надежно управляются в энергетических масштабах, которые имеют практическое применение».
Для лучшего понимания потенциального применения квантовых аккумуляторов исследователи планируют дальше изучать квантовые эффекты термодинамических процессов. Большой вопрос состоит в том, может ли квантовый аккумулятор производить работу (направленная энергия), а не просто тепло (рассеянная энергия)?
«То, что мы в статье называем «квантовыми аккумуляторами», существует в лабораториях: любая управляемая квантовая система со стабильными собственными состояниями может интерпретироваться как аккумулятор», — комментирует Биндер. — Вопрос скорее заключается в том, могут ли позиции термодинамики быть полезными при квантовых экспериментах с такими системами, как ионы, холодные нейтральные атомы (например, в оптической решетке), системы конденсированных веществ  или свет».

Источник