Kwantumbatterijen superieur?

Kwantumme-chanica dient zich niet alleen aan op het gebied van de informatica. De afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende kwantumtech-nologieën ontwikkeld, die gebruik maken van de principes van de kwantummechanica. Deze technologieën hebben de potentie om hun klassieke tegenhangers in specifieke situaties of scenario’s te overtreffen.
Een van die vele (staat in het persbericht; as) kwantumtechnieken die tot nu toe zijn voorgesteld en ontwikkeld, zijn kwantumbatterijen. Dat zijn energieopslagapparaten die theoretisch gezien energie efficiënter zouden kunnen opslaan dan klassieke batterijen en ook sneller zouden kunnen worden opgeladen. Net als bij de kwantumcomputer heeft de kwantumbatterij zijn gouden voorspellingen nog niet waar kunnen maken. Sterker nog: die kwantumbatterij is nog louter theorie, maar doet het al wel beter dan een klassieke batterij.
Onderzoekersters van de PSL-universiteit en de universiteit van Pisa hebben onlangs een nieuw, bedrieglijk eenvoudig kwantumbatterijmodel voorgesteld dat ook daadwerkelijk een kwantumvoordeel zou kunnen bieden ten opzichte van een ‘ouderwetse’ batterij. Het nieuwe model bleek in theorie in staat de zogeheten kwantumsnelheidslimiet te bereiken, de maximale snelheid die een kwantumsysteem theoretisch zou kunnen bereiken.
“Kwantumbatterijen zijn microscopisch kleine apparaten die kwantumvoordelen kunnen bieden ten opzichte van hun klassieke tegenhangers bij energiegerelateerde taken”, stellen Vittoria Stanzione en Gian Marcello Andolina. “Dit onderzoeksgebied is ontstaan ​​uit de kwantuminformatietheorie, die voorspelt dat kwantumverschijnselen, zoals verstrengeling, het laadvermogen van kwantumsystemen aanzienlijk zou kunnen verbeteren.”
“In de afgelopen jaren hebben enkele auteurs van het huidige werk een model voorgesteld dat een dergelijk kwantumvoordeel laat zien: het Sachdev-Ye-Kitaev-model (SYK). Dit model is echter zeer complex, zowel experimenteel, vanwege de interacties tussen meerdere onderdelen, als theoretisch, omdat het analytisch uitdagend (=problematisch; as) is.”

Eerdere studies die een kwantumvoordeel van batterijen aantoonden op basis van het SYK-model, deden dit alleen met behulp van numerieke simulaties, zonder verdere analyses uit te voeren. Voortbouwend op hun eerdere inspanningen probeerden Stanzione, Andolina en collega’s het eenvoudigst mogelijke kwantumbatterijmodel te identificeren dat een kwantumvoordeel zou kunnen laten zien in termen van laadvermogen.
“Ons model bestaat uit twee gekoppelde harmonische oscillatoren: de ene fungeert als de ‘lader’ en de andere als de ‘batterij'”, legt het tweetal uit. “Het belangrijkste ingrediënt voor het kwantumvoordeel is een onharmonische interactie tussen de twee oscillatoren tijdens het laadproces.”
“Deze onharmonische koppeling stelt het systeem in staat om toegang te krijgen tot niet-klassieke, verstrengelde toestanden die effectief een ‘snelkoppeling’ in de Hilbertruimte creëren, wat een snellere energieoverdracht mogelijk maakt dan in klassieke dynamica.”

Overtreft

Om het kwantumvoordeel van hun model te bepalen, vergeleken de onderzoekersters hun model met een geschikt klassiek batterijmodel, terwijl ze ook een formele grens invoerden (stelt het persbericht) die was beschreven door Maciej Lewenstein en andere onderzoekers van het instituut voor fotonica (ICFO) in Barcelona. Over het algemeen suggereren hun bevindingen dat hun kwantumbatterijmodel zijn klassieke tegenhanger inderdaad overtreft. Op papier dan toch.
Volgens de onderzoekersters biedt dit werk de eerste grondige bepaling van een echt kwantumvoordeel in een oplosbaar model. “Bovendien kan de voorgestelde opstelling worden gerealiseerd met de huidige experimentele technologieën.”

Helaas is het model van de onderzoekersters nog slechts theoretisch en moet er wel wat werk worden verricht voordat het in de praktijk kan worden gerealiseerd. Vaak blijkt dan de praktijk een harde leerschool. De onderzoekersters denken hun model te verwezenlijken met behulp van supergeleidende circuits, weerstandsloze elektrische circuits. Daar zijn echter lage temperaturen voor nodig in dat maakt het praktische gebruik van die kwantumbatterijen niet erg waarschijnlijk.
“We zijn nu van plan om te gaan samenwerken met experimentele groepen om te bewijzen dat het kan”, stellen Stanzione en Andolina. Die hun droom ligt niet echt binnen handbereik. “We hopen dat ons werk verder onderzoek naar dit boeiende onderwerp zal stimuleren en zowel theoretisch als experimenteel vooruitgang zal boeken.”

Bron: phys.org