В исследованиях в области хранения энергии все большее внимание уделяется квантовым батареям. Недавно японская группа исследователей использовала неинтуитивное квантовое явление, называемое неопределенным причинно-следственным порядком, для повышения эффективности зарядки. Этот прорыв может ускорить время зарядки аккумуляторов и увеличить их долговечность (срок службы в хорошем состоянии), что окажет влияние на бытовую электронику, автомобили и возобновляемые источники энергии.
В связи с актуальностью проблемы изменения климата и стремлением к энергетической автономии исследования в настоящее время обращены к квантовым батареям. Недавно группа исследователей из Токийского университета под руководством Юаньбо Чена изучила новое перспективное направление: использование квантовых явлений для оптимизации зарядки аккумуляторов. Речь идет о неопределенном причинном порядке — явлении, при котором порядок событий не соответствует обычной причинно-следственной последовательности.
Данное исследование проводится на фоне растущего глобального спроса на более эффективные решения для хранения энергии, в частности, для удовлетворения потребностей в возобновляемых источниках энергии и электромобилях. Работа Чена и его коллег может стать поворотным моментом в использовании неопределенного причинно-следственного порядка — концепции, находящейся на границе теоретической физики и практического применения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
В нашей повседневной жизни причинность подчиняется однонаправленной логике: одно событие предшествует другому и влияет на него, причем неоднозначно. На этом основано наше понимание времени и последовательности действий. Другими словами, если событие А вызывает событие Б, то Б не может быть причиной А. Однако эта линейность ставится под сомнение законами квантовой механики, где явления могут быть настолько запутанными, что различие между причиной и следствием становится размытым или даже взаимозаменяемым.
Юаньбо Чен и его сотрудники из Токийского университета полагают, что эту сложность, присущую квантовой причинности, можно использовать для улучшения хранения энергии. Они учли эту идею в своем эксперименте с двумя зарядными устройствами, питающими квантовую батарею. Они оценивали прирост энергии и эффективность зарядки батареи в трех различных сценариях: последовательное подключение зарядных устройств, одновременное питание батареи от зарядных устройств и ситуация, когда источник зарядки оставался неопределенным из-за суперпозиции причинности.
В последнем сценарии аккумулятор накапливал наибольшее количество энергии наиболее эффективным способом, даже при слабой связи между зарядными устройствами и аккумулятором, что свидетельствует о том, что процесс может быть эффективным даже при неидеальных зарядных устройствах. Возможность сосуществования событий в наложенном состоянии, когда роли причины и следствия не фиксированы, открывает возможности для более быстрой и эффективной зарядки аккумуляторов.
Исследователи провели предварительный эксперимент с квантовым светом, чтобы продемонстрировать осуществимость этого протокола, основанного на неопределенной причинности, с помощью устройства, называемого квантовым переключателем. Однако прямое применение этого протокола для создания полноценной квантовой батареи еще предстоит проверить.
Если квантовые батареи удастся применить на практике, то их последствия могут быть весьма обширными. В секторе возобновляемой энергетики они позволят более эффективно накапливать солнечную или ветровую энергию, тем самым снижая проблемы, связанные с непостоянством этих источников. Это означает, что энергия, произведенная в периоды высокой выработки, может быть сохранена в более стабильном виде и высвобождена по мере необходимости.
В области электроники последствия не менее значительны. Квантовые батареи могут позволить повседневным мобильным устройствам, таким как смартфоны и ноутбуки, работать без подзарядки в течение нескольких недель.
Для транспорта, в частности электромобилей, квантовые батареи могут означать гораздо большее расстояние между подзарядками, что сделает электромобили более практичными для дальних поездок и уменьшит беспокойство по поводу дальности поездки. Более того, подзарядка таких батарей может быть значительно быстрее, что сократит время простоя и повысит общую эффективность поездок.
Таким образом, квантовые батареи могут не только улучшить существующие продукты, но и позволить разработать новые технологии, которые ранее были немыслимы из-за ограничений обычных батарей. Это может привести к новой эре энергетических устройств, в которой экологичность и эффективность будут уже не противоречивыми целями, а конкретными реалиями.