A következő években olyan parányi, mégis nagy teljesítményű akkumulátorok jelenhetnek meg, amelyek forradalmasíthatják az okostelefonoktól kezdve a szuperszámítógépekig számos technológiát. Az energiatárolás egy hatalmas előrelépés küszöbén, ennek élén pedig az új „topológiai kvantumakku” koncepciója áll. A RIKEN Kvantumszámítástechnikai Központ és a Huazhong Tudományos és Technológiai Egyetem kutatóinak elméleti tanulmánya bemutatta, hogyan lehet hatékonyan megtervezni egy kvantumakkumulátort. Az Interesting Engineering-en ismertetett kutatás eredményeit a Physical Review Letters című tudományos folyóiratban publikálták.
„Kutatásunk új nézőpontot kínál a topológia felől közelítve, és támpontokat ad a nagy teljesítményű mikro-energiamemóriák megvalósításához” – mondta Zhi-Guang Lu, a tanulmány első szerzője.
A világ sürgetően igényel hatékonyabb és fenntarthatóbb energiatárolást, ahogy a globális energiaigény nő, és a hagyományos kémiai alapú akkumulátorok elérik teljesítőképességük határait.
Az energiatárolás egy hatalmas előrelépés küszöbén. (Fotó: Unsplash)
A kvantumakkumulátorok egy új típusú energiatárolási megközelítést képviselnek, amelyek eltérnek a hagyományos akkumulátoroktól. Kihasználják a kvantummechanika elveit, mint a szuperpozíció, az összefonódás és a koherencia. A kvantummegközelítés jelentős teljesítményelőnyöket ígér, például gyorsabb töltést, nagyobb kapacitást és jobb hatékonyságot.
A kvantumakkumulátorok gyakorlati megvalósítása azonban jelentős kihívásokkal szembesül. A legfőbb akadályokat az energiaveszteség és a dekoherencia jelentik, amelyek rontják a kvantumtulajdonságokat, például az összefonódást és a szuperpozíciót. Ez gyenge teljesítményhez vezethet, különösen távoli töltés vagy energiaveszteséggel járó környezetek esetén.
„Ha sikerül leküzdenünk a kvantumakkumulátorok teljesítménybeli korlátait, amelyeket a hosszú távú energiatranszmisszió és az energiaveszteség okoz, akkor felgyorsíthatjuk az elméleti koncepció gyakorlati alkalmazássá válását” – tette hozzá Guang Lu.
A RIKEN kutatói az úgynevezett „topológiai tulajdonságokat” használták ki. Ezek olyan jellemzők, amik egy anyagban akkor is változatlanok maradnak, ha az deformálódik, például meghajlik vagy elcsavarodik. Az akkumulátor tervezési koncepciója egyedülálló módon ötvözi a fotonikus hullámvezetők topológiai tulajdonságait a kétállapotú atomok kvantumhatásaival.
A kutatás kimutatta, hogy a topológiai tulajdonságok kiaknázásával tökéletes távoli töltés és energiaveszteséggel szembeni immunitás érhető el.
A tanulmány több kulcsfontosságú előnyre is rámutat, amelyek életképessé tehetik a topológiai kvantumakkumulátorokat. Először is, szinte „tökéletes energiaátvitel” valósítható meg a fotonikus hullámvezetők topológiai tulajdonságainak kiaknázásával. Emellett a kutatók kimutatták, hogy energiaveszteséggel szembeni immunitás is elérhető – különösen akkor, ha a töltő és az akkumulátor ugyanazon a rácsponton helyezkednek el, egyazon szubrácson belül.
És itt jön az igazán meglepő rész: „Megállapították, hogy az energiaveszteség – amelyet általában az akkumulátor teljesítményére károsnak tartanak – ideiglenesen növelheti is a kvantumakkumulátorok töltési teljesítményét” – jegyezte meg a kutatócsoport a sajtóközleményben.
A topológiai kvantumakkumulátorok kutatása komoly hatással lehet számos élvonalbeli technológiára. Ígéretes lehet a nanoszintű energiatárolásban, elősegítheti az optikai kvantumkommunikáció fejlődését – amely lehetővé tenné az ultra-biztonságos adattovábbítást nagy távolságokon –, és még sok másban is alkalmazható. A kvantumakkumulátorok aktív kutatása és fejlesztése jelenleg is zajlik.
Februárban a CSIRO kutatócsoportjának sikerült egy kvantumakkumulátor prototípust létrehoznia egy mikrokavitás segítségével.
Ez az eszköz egy parányi teret tartalmaz, amelyben szerves molekulák helyezkednek el tükrök között, ezek csapdába ejtik a lézerfényt, és lehetővé teszik, hogy a molekulák energiát nyerjenek belőle. Tavaly a Genovai Egyetem kutatói egy új típusú kvantumakkumulátort mutattak be, amely az elektronok spinjét – egy alapvető kvantummechanikai tulajdonságot – használja energiatárolásra.
A RIKEN kutatói továbbra is azon dolgoznak, hogy a kvantumeszközök elméleteit gyakorlati alkalmazásokká alakítsák.
Kiemelt kép: Unsplash
S.Rita
