Des chercheurs du Riken Center for Quantum Computing et de l'Université des sciences et technologies de Huazhong ont effectué une analyse théorique démontrant comment une « batterie quantique topologique » – un dispositif innovant qui exploite les propriétés topologiques des guides d'ondes photoniques et des effets quantiques des atomes à deux niveaux – pourrait être conçu efficacement. L'œuvre, publiée dans Lettres d'examen physiqueest prometteur pour les applications dans le stockage d'énergie à l'échelle nanométrique, la communication quantique optique et l'informatique quantique distribuée.
Avec une sensibilisation globale croissante à l'importance de la durabilité environnementale, le développement de dispositifs de stockage d'énergie de nouvelle génération est devenu une priorité critique. Les batteries quantiques – dispositifs miniatures hypothétiques qui, contrairement aux batteries classiques qui stockent l'énergie via des réactions chimiques, reposent sur des propriétés quantiques telles que la superposition, l'intrication et la cohérence – ont le potentiel d'améliorer le stockage et le transfert d'énergie.
D'un point de vue mécaniste, ils offrent des avantages de performance potentiels par rapport aux batteries classiques, y compris une meilleure puissance de charge, une capacité accrue et une efficacité d'extraction de travail supérieure.
Bien que diverses propositions de batteries quantiques aient été avancées, la réalisation pratique de ces appareils reste insaisissable. Dans les scénarios pratiques impliquant la charge à distance et la dissipation d'énergie, les batteries quantiques sont significativement affectées par la perte d'énergie et la décohérence, un problème courant dans les dispositifs quantiques où un système quantique perd ses propriétés clés, telles que l'enchevêtrement et la superposition, entraînant des performances sous-optimales.
En ce qui concerne la perte d'énergie, dans les systèmes photoniques qui utilisent des guides d'ondes non topologiques – des guides d'ondes qui sont affectés par le pliage, par exemple – pour canaliser les photons, l'efficacité de stockage d'énergie est considérablement dégradée en raison de la dispersion des photons dans le guide d'onde. D'autres obstacles incluent la dissipation environnementale, le bruit et les troubles, qui induisent tous la décohérence et dégradent les performances des batteries.
Dans la présente étude, l'équipe de recherche conjointe a utilisé des méthodes analytiques et numériques dans un cadre théorique pour relever deux défis de longue date qui ont entravé les performances pratiques des batteries quantiques.
En tirant parti des propriétés topologiques – des fêtes d'un matériau qui restent inchangées sous des déformations continues telles que la torsion ou la flexion – ils ont démontré la faisabilité d'atteindre une charge parfaite à longue distance et l'immunité de dissipation des batteries quantiques. Étonnamment, ils ont constaté que la dissipation – considérée comme nocive pour les performances des batteries – peut également être utilisée pour améliorer la puissance de charge des batteries quantiques de manière transitoire.
Ils ont démontré plusieurs avantages clés qui pourraient rendre les batteries quantiques topologiques réalisables pour les applications pratiques. Une conclusion cruciale a été qu'il est possible d'obtenir un transfert d'énergie presque parfait en tirant parti des propriétés topologiques des guides d'ondes photoniques.
L'autre découverte notable est que lorsque le chargeur et la batterie sont placés sur le même site, le système présente une immunité de dissipation confinée à un seul sous-réduction.
De plus, l'équipe de recherche a révélé que la dissipation dépasse un seuil critique, la puissance de charge subit une amélioration transitoire, brisant l'attente conventionnelle que la dissipation entrave toujours les performances.
« Nos recherches fournissent de nouvelles idées d'un point de vue topologique et nous donne des conseils vers la réalisation de dispositifs de stockage de micro-énergie à haute performance.
« En regardant vers l'avenir », explique Cheng Shang, l'auteur correspondant de l'équipe de recherche internationale, « nous continuerons à travailler pour combler l'écart entre l'étude théorique et le déploiement pratique des appareils quantiques, ce qui a insuffisant l'ère quantique que nous avons imaginée depuis longtemps. »
