Работа, опубликованная в Physical Review Letters, выполнена учеными из Центра квантовых вычислений RIKEN и Университета науки и технологий Хуачжун. Исследование предлагает новый теоретический подход к созданию «топологической квантовой батареи», которая использует особенности фотонных волноводов и квантовые эффекты двухуровневых атомов.
В отличие от обычных батарей, где энергия сохраняется за счет химических реакций, квантовые батареи полагаются на такие явления, как суперпозиция, запутанность и когерентность, то есть согласованность квантовых состояний. Это позволяет увеличить скорость зарядки, емкость и эффективность использования энергии.
Однако практическая реализация таких батарей сталкивается с рядом проблем. В частности, удаленная зарядка и передача энергии часто сопровождаются потерями и декогеренцией — утратой квантовых свойств под воздействием окружающей среды. Обычные волноводы не защищают от этих эффектов, что снижает эффективность устройства.
Исследователи показали, что топологические свойства могут обеспечить устойчивость к рассеянию и идеальную передачу энергии. Это открывает путь к эффективной зарядке даже на больших расстояниях. Кроме того, неожиданным открытием стало то, что рассеивание энергии при определенных условиях способно даже кратковременно улучшить скорость зарядки.
Более того, если зарядное устройство и батарея находятся рядом, система показывает устойчивость к помехам, ограниченным только одной подрешеткой, то есть минимальной структурной единицей решетки. Это означает, что квантовая батарея может быть устойчива даже в неидеальных условиях.
Как отмечают авторы, работа демонстрирует не только возможность создания устойчивых квантовых батарей, но и предлагает концепции, которые могут ускорить переход от теории к практическим наноэнергетическим устройствам.
Интерес к топологическим свойствам в квантовых технологиях растет не случайно — они помогают не только улучшать хранение энергии, но и делают возможным более надежное хранение квантовой информации. Как ученые подтвердили это на примере одного редкого сверхпроводника — об этом вы можете прочитать в этой статье.