Физики описали принцип работы квантовых батарей будущего

Исследования показали, что квантовые батареи будущего смогут заряжаться, нарушая традиционные законы причинности.

Обычные батареи заряжаются путем преобразования электрической энергии в химическую энергию огромного количества электронов. Но в новом эксперименте исследователи продемонстрировали, как странный квантовый эффект может привести к тому, что батареи будут заряжаться быстрее и эффективнее за счет перемешивания причины и следствия. Подробности опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Причинность, или связь между причиной и следствием, не всегда очевидна в квантовой механике.

«Обычно, если событие A происходит первым и вызывает событие B, предполагается, что B, в свою очередь, не может вызвать A одновременно, — объясняет соавтор исследования Юаньбо Чен, физик из Токийского университета. - Однако недавние достижения в теоретической физике предполагают, что в определенных рамках сценарии, в которых «А вызывает Б» и «Б вызывает А», могут одновременно быть истинными».

Принцип квантовой суперпозиции позволяет частицам существовать во многих различных состояниях одновременно, по крайней мере, до тех пор, пока их не наблюдают и не «выбирают» состояние, в котором они приземляются.

Любое свойство квантового объекта (например, его импульс, местоположение или, в знаменитом случае с гипотетическим котом Эрвина Шредингера, независимо от того, жив он или нет) может существовать в суперпозиции — вероятностной мешанине всех возможных состояний, которая схлопывается только в определенное результат при просмотре объекта.

Осознание этого побудило физиков проводить всевозможные причудливые эксперименты, которые противоречат нашим интуитивным представлениям о том, что должно быть возможно, включая такие, в которых одна частица может одновременно существовать и не существовать во многих разных местах.

Но суперпозиция не только портит наше интуитивное чувство пространства, но и искажает наше чувство причинности. В 2009 году физики использовали устройство под названием квантовый переключатель, чтобы наблюдать явление, называемое неопределенным причинным порядком.

Направив легкую частицу или фотон по паре расходящихся путей, физики заставили ее разделиться на две возможные версии самой себя — одна пошла по первому пути, а другая — по второму.

Затем, в зависимости от пути, по которому прошел фотон, физики применили два разных процесса в разном порядке в зависимости от пути. В результате получился фотон, причинно-следственная связь которого была перепутана: он находился в квантовой суперпозиции, где оба порядка событий были истинны.

«Предположим, у нас есть два процесса: А и Б, — говорит Чен, - с помощью квантового переключателя вы можете создать суперпозицию (сначала примените A, затем B) и (сначала примените B, а затем A)».

Чен и его коллеги задавались вопросом, смогут ли они включить это в квантовую батарею - предлагаемое устройство, которое теоретически могло бы хранить энергию фотонов и заряжаться быстрее, чем обычные электрохимические батареи. 

Они сравнили три метода зарядки: подключение двух зарядных устройств к аккумулятору последовательно, одновременно или в суперпозиции, при которой невозможно определить порядок ввода.

Их расчеты показали, что метод суперпозиции позволит маломощному зарядному устройству с причинно-следственной связью доставлять больше энергии более эффективно, чем обычное зарядное устройство высокой мощности.

Они продолжили свои расчеты экспериментальным путем с использованием света. Посылая фотоны через квантовый переключатель по двум возможным путям, исследователи разделили частицы света на две возможные версии самих себя, каждая из которых проходила свой путь.

Затем, подвергнув свет двум источникам, которые поляризовали его в разном порядке (A, затем B или B, затем A) в зависимости от пути, по которому они шли, исследователи измерили поляризацию в конце и обнаружили, что отдельные фотоны были причинно перемешаны.

Протестировав свой протокол, ученые говорят, что их следующая задача — создать физическую квантовую батарею, способную удерживать заряд. Однако первые экспериментальные доказательства существования квантовой батареи были опубликованы только в прошлом году, так что это вряд ли произойдет в ближайшее время.