Международный коллектив физиков теоретически показал, что «квантовые батареи», если их удастся создать, смогут заряжаться на несколько порядков быстрее, чем «классические» аккумуляторы. По выводам ученых, такой эффект объясняется квантовой запутанностью, наличие которой позволяет синхронно изменять состояния сразу нескольких объектов. Работа опубликована в New Journal of Physics.

Механистическая аналогия массива одиночных кубитов и системы запутанных кубитов. Изображение: Felix C. Binder, et al./ New Journal of Physics

Авторы изучали идеальный «рабочий кубит (working qubit или wit), который способен накапливать энергию за счет перехода из одного состояния (p0) в другое — более высокое по энергии (p1). Ученые вначале решали задачу об оптимизации этих состояний так, чтобы в ходе цикла p0->p1->p0 кубит совершал как можно больше работы.

После того, как оптимизация одиночного кубита была решена, физики показали, что при наличии запутанности гипотетическую систему можно будет заряжать гораздо быстрее, чем классические батареи. Выражение для времени зарядки в «запутанном» случае оказалось обратно пропорционально числу кубитов в массиве: t ~ 1/N.

Ученые отметили, что для создания квантовой батареи, описанной в их статье, в настоящий момент существует несколько ключевых преград. Во-первых, кубит (атом, ион или другой объект) способен запасать лишь очень небольшое количество энергии. Даже массив кубитов будет неспособен запитать любое сколь угодно маленькое и примитивное электронное устройства. Второй причиной является декогерентность — разрушение квантовых эффектов из-за воздействия системы с внешней средой. Вследствие декогерентности на данный момент практически невозможно создание крупного запутанного массива кубитов в качество основы будущей батареи.

Тем не менее, по мнению авторов, новое исследование должно послужить стимулом для экспериментаторов. Оно явным образом раскрывает потенциал квантовых аккумуляторов, что может подстегнуть интерес к их созданию. Кроме того, новая работа расширяет область фундаментальных исследований термодинамических циклических процессов на основе квантовых систем.