Причинно-следственная связь является ключом к нашему восприятию реальности: например, разбивание стекла приводит к его разбиванию, поэтому оно не могло разбиться до того, как разбилось. Но в квантовом мире эти правила не обязательно применимы, и ученые теперь продемонстрировали, как использовать эту странность для зарядки квантовой батареи.
В каком-то смысле квантовые батареи управляются парадоксом. На бумаге они работают, сохраняя энергию в квантовых состояниях атомов и молекул — и, конечно, как только упоминается слово «квант», вы понимаете, что произойдет что-то странное. В этом случае новое исследование показывает, что квантовые батареи могут работать, нарушая наши знания о причине и следствии.
Чэнь Юаньбо, автор исследования, сказал: «Современные батареи, используемые в маломощных устройствах, таких как смартфоны или датчики, обычно используют химические вещества, такие как литий, для хранения заряда, тогда как квантовые батареи используют микроскопические частицы, такие как массивы атомов. Химические батареи регулируются законами классической физики, в то время как микроскопические частицы являются квантовыми по своей природе, поэтому у нас есть возможность изучить способы их использования, чтобы изменить или даже разрушить наши интуитивные представления о том, что происходит в малых масштабах. Меня особенно интересует, как квантовые частицы нарушают одну из наших самых фундаментальных вещей. переживания: время».
В классической физике, той физике, которую мы наблюдаем в крупномасштабном мире, причина и следствие явно линейны. Возвращаясь к предыдущей аналогии, падение стакана (событие А) приводит к его разбиванию (событие Б), но вы не можете изменить взаимосвязь между этими двумя событиями. Стакан упал не потому, что был разбит. Но в призрачном мире квантовой физики это ограничение не применимо. Включение этого парадокса в квантовые батареи может помочь повысить их эффективность.
В новом исследовании ученые Токийского университета провели лабораторный эксперимент, используя лазеры, линзы и зеркала в качестве большой квантовой батареи. Для зарядки этих батарей обычно требуется несколько этапов зарядки, работающих один за другим, но здесь исследовательская группа воспользовалась квантовым эффектом, называемым неопределенным причинным порядком (ICO). По сути, как только они привели систему в состояние квантовой суперпозиции, причинный порядок мог существовать в обоих направлениях одновременно, позволяя нескольким этапам зарядки работать одновременно, а не последовательно.
«С помощью ICO мы продемонстрировали, что способ зарядки аккумулятора, состоящего из квантовых частиц, может сильно повлиять на его производительность», — сказал Чен. «Мы обнаружили огромные улучшения как в энергии, запасенной в системе, так и в тепловой эффективности. И, как это ни парадоксально, мы обнаружили удивительный эффект взаимодействия, который был противоположным ожидаемому: зарядное устройство малой мощности могло доставлять больше энергии, будучи при этом более эффективным, чем зарядное устройство высокой мощности, использующее то же устройство».
Большинству людей это может быть трудно понять, но однажды квантовые батареи могут стать реальностью. На данный момент они существуют только в виде лабораторных экспериментов, но ученые постепенно тестируют различные их аспекты, с конечной целью выяснить, как интегрировать части в работающее целое.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.