- 19,421
- 40
- 8 Ноя 2022
Как физики превращают фантастику в реальность.
Учёные из Центра квантовых вычислений RIKEN и Хуачжунского университета науки и технологий представили теоретический анализ, который показывает, как можно эффективно спроектировать «топологическую квантовую батарею» — перспективное устройство, использующее топологические свойства фотонных волноводов и квантовые эффекты двухуровневых атомов. Работа Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся в журнале Physical Review Letters и открывает новые возможности для Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся на наноуровне, Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся и распределённых квантовых вычислений.
На фоне растущей мировой озабоченности вопросами экологической устойчивости создание новых систем хранения энергии становится ключевой задачей. Квантовые батареи — гипотетические миниатюрные устройства, которые, в отличие от классических батарей, основанных на химических реакциях, используют квантовые эффекты вроде суперпозиции, запутанности и когерентности — обещают качественно новые возможности для хранения и передачи энергии.
С точки зрения принципа работы такие батареи потенциально превосходят классические по ряду параметров: они способны обеспечивать более высокую мощность зарядки, большую ёмкость и более эффективное извлечение энергии.
Хотя за последние годы появилось множество теоретических концепций квантовых батарей, до их практической реализации всё ещё далеко. Основные препятствия — потери энергии и декогеренция, то есть утрата квантовых свойств системы (например, запутанности и суперпозиции) из-за взаимодействия с внешней средой. Эти эффекты приводят к снижению эффективности работы и потере энергии, что особенно актуально при дистанционной зарядке.
В фотонных системах, использующих обычные (нетопологические) волноводы, любые искажения — например, изгибы волновода — приводят к рассеянию фотонов и резкому снижению эффективности накопления энергии. Кроме того, на работу батарей негативно влияют шумы и беспорядок в системе, вызывая декогеренцию и снижая их производительность.
В новом исследовании команда учёных предложила теоретическую модель и провела вычисления, которые позволили решить две ключевые проблемы, мешавшие переходу к практическому использованию квантовых батарей. Используя топологические свойства — то есть характеристики материалов, которые сохраняются при деформациях, изгибах и скручиваниях, — исследователи доказали возможность идеальной дистанционной зарядки и защиты от потерь энергии.
Неожиданно оказалось, что диссипация — процесс, обычно считающийся вредным для батарей, — может временно усиливать мощность зарядки, а не только снижать её. Учёные продемонстрировали преимущества топологических квантовых батарей, которые потенциально делают их пригодными для реального применения. Например, удалось добиться почти идеального переноса энергии за счёт топологических свойств Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся .
Кроме того, когда зарядное устройство и батарея находятся в одной точке, система оказывается устойчивой к потерям энергии в пределах определённой подсистемы. Исследователи также показали: если потери превышают критический уровень, происходит кратковременный всплеск мощности зарядки — вопреки традиционным представлениям о том, что любые потери всегда вредны.
«Наше исследование даёт новый взгляд на проблему с топологической точки зрения и подсказывает пути создания эффективных миниатюрных устройств хранения энергии. Мы надеемся, что эти результаты помогут преодолеть практические ограничения, связанные с дистанционной передачей энергии и её потерями, и приблизят появление квантовых батарей в реальных технологиях», — отметил первый автор работы Чжи-Гуанг Лу.
«В дальнейшем мы будем работать над тем, чтобы сократить разрыв между теорией и практикой, чтобы мечта о Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся наконец стала реальностью», — добавил руководитель международной исследовательской группы Чэн Шанг.
Учёные из Центра квантовых вычислений RIKEN и Хуачжунского университета науки и технологий представили теоретический анализ, который показывает, как можно эффективно спроектировать «топологическую квантовую батарею» — перспективное устройство, использующее топологические свойства фотонных волноводов и квантовые эффекты двухуровневых атомов. Работа Для просмотра ссылки Войди
На фоне растущей мировой озабоченности вопросами экологической устойчивости создание новых систем хранения энергии становится ключевой задачей. Квантовые батареи — гипотетические миниатюрные устройства, которые, в отличие от классических батарей, основанных на химических реакциях, используют квантовые эффекты вроде суперпозиции, запутанности и когерентности — обещают качественно новые возможности для хранения и передачи энергии.
С точки зрения принципа работы такие батареи потенциально превосходят классические по ряду параметров: они способны обеспечивать более высокую мощность зарядки, большую ёмкость и более эффективное извлечение энергии.
Хотя за последние годы появилось множество теоретических концепций квантовых батарей, до их практической реализации всё ещё далеко. Основные препятствия — потери энергии и декогеренция, то есть утрата квантовых свойств системы (например, запутанности и суперпозиции) из-за взаимодействия с внешней средой. Эти эффекты приводят к снижению эффективности работы и потере энергии, что особенно актуально при дистанционной зарядке.
В фотонных системах, использующих обычные (нетопологические) волноводы, любые искажения — например, изгибы волновода — приводят к рассеянию фотонов и резкому снижению эффективности накопления энергии. Кроме того, на работу батарей негативно влияют шумы и беспорядок в системе, вызывая декогеренцию и снижая их производительность.
В новом исследовании команда учёных предложила теоретическую модель и провела вычисления, которые позволили решить две ключевые проблемы, мешавшие переходу к практическому использованию квантовых батарей. Используя топологические свойства — то есть характеристики материалов, которые сохраняются при деформациях, изгибах и скручиваниях, — исследователи доказали возможность идеальной дистанционной зарядки и защиты от потерь энергии.
Неожиданно оказалось, что диссипация — процесс, обычно считающийся вредным для батарей, — может временно усиливать мощность зарядки, а не только снижать её. Учёные продемонстрировали преимущества топологических квантовых батарей, которые потенциально делают их пригодными для реального применения. Например, удалось добиться почти идеального переноса энергии за счёт топологических свойств Для просмотра ссылки Войди
Кроме того, когда зарядное устройство и батарея находятся в одной точке, система оказывается устойчивой к потерям энергии в пределах определённой подсистемы. Исследователи также показали: если потери превышают критический уровень, происходит кратковременный всплеск мощности зарядки — вопреки традиционным представлениям о том, что любые потери всегда вредны.
«Наше исследование даёт новый взгляд на проблему с топологической точки зрения и подсказывает пути создания эффективных миниатюрных устройств хранения энергии. Мы надеемся, что эти результаты помогут преодолеть практические ограничения, связанные с дистанционной передачей энергии и её потерями, и приблизят появление квантовых батарей в реальных технологиях», — отметил первый автор работы Чжи-Гуанг Лу.
«В дальнейшем мы будем работать над тем, чтобы сократить разрыв между теорией и практикой, чтобы мечта о Для просмотра ссылки Войди
- Источник новости
- www.securitylab.ru
