Causality brechen: Die revolutionäre Kraft der Quantenbatterien
Quantumbatterien mit ihren innovativen Ladeverfahren stellen einen Durchbruch in der Batterietechnologie dar und versprechen eine höhere Effizienz sowie breitere Anwendungsmöglichkeiten in nachhaltigen Energielösungen. Credit: SciTechDaily.com
Ein neuer Weg, Batterien aufzuladen, nutzt die Kraft der "unendlichen kausalen Ordnung".
Batterien, die Quantenphänomene nutzen, um Energie zu gewinnen, zu verteilen und zu speichern, versprechen die Fähigkeiten und die Nützlichkeit herkömmlicher chemischer Batterien in bestimmten Niedrigstromanwendungen zu übertreffen. Forscher, darunter auch solche von der Universität Tokio, nutzen zum ersten Mal einen unintuitiven Quantenprozess, der die herkömmliche Vorstellung von Kausalität ignoriert, um die Leistung sogenannter Quantenbatterien zu verbessern und diese zukünftige Technologie der Wirklichkeit ein Stück näher zu bringen.
Wenn Sie das Wort "Quantum" hören, das die Physik der subatomaren Welt regelt, stehlen Entwicklung in der Quantencomputer in der Regel die Schlagzeilen, aber es gibt auch andere kommende Quantentechnologien, die es wert sind, Aufmerksamkeit zu schenken. Ein solches Produkt ist die Quantumbatterie, die, obwohl sie anfangs im Namen verwirrend ist, unerschlossenes Potenzial für nachhaltige Energiesysteme und eine mögliche Integration in zukünftige Elektrofahrzeuge birgt. Diese neuen Geräte sind jedoch dafür bestimmt, in verschiedenen tragbaren und energiesparsamen Anwendungen zum Einsatz zu kommen, insbesondere wenn Möglichkeiten zur Aufladung knapp sind.
In der klassischen Welt müssten Sie, wenn Sie eine Batterie mit zwei Ladegeräten aufladen wollten, dies nacheinander tun und wären auf nur zwei mögliche Reihenfolgen beschränkt. Durch Nutzung des neuartigen Quanteneffekts namens ICO ergibt sich die Möglichkeit, Quantenbatterien auf eine unkonventionelle Weise aufzuladen. Hier können mehrere Ladegeräte in verschiedenen Reihenfolgen gleichzeitig existieren und eine Quantenüberlagerung bilden. Credit: ©2023 Chen et al.
Derzeit existieren Quantenbatterien nur als Laborexperimente und Forscher auf der ganzen Welt arbeiten an den verschiedenen Aspekten, die sich eines Tages zu einer voll funktionsfähigen und praktischen Anwendung kombinieren sollen. Doktorand Yuanbo Chen und Associate Professor Yoshihiko Hasegawa von der Abteilung für Informations- und Kommunikationstechnik an der Universität Tokio sind daran interessiert, die beste Methode zur Aufladung einer Quantenbatterie zu untersuchen, wobei die Zeit eine Rolle spielt. Einer der Vorteile von Quantenbatterien besteht darin, dass sie unglaublich effizient sein sollten, aber das hängt von der Art und Weise ab, wie sie aufgeladen werden.
"Aktuelle Batterien für Niedrigstromgeräte wie Smartphones oder Sensoren verwenden typischerweise Chemikalien wie Lithium zur Speicherung von Ladung, während eine Quantenbatterie mikroskopische Teilchen wie Atomarrays verwendet", sagt Chen. "Während chemische Batterien den klassischen Gesetzen der Physik unterliegen, sind mikroskopische Teilchen quantenartig, sodass wir eine Chance haben, Möglichkeiten zu erkunden, sie zu nutzen, die unsere intuitiven Vorstellungen davon, was in kleinen Maßstab passiert, biegen oder sogar brechen. Ich bin besonders daran interessiert, wie Quantenteilchen dazu führen können, eine unserer grundlegendsten Erfahrungen, die Zeit, zu verletzen."
Obwohl es immer noch deutlich größer ist als eine AA-Batterie, die Sie zu Hause finden könnten, zeigte das als Quantenbatterie agierende experimentelle Apparatur Ladeeigenschaften, die sich eines Tages auf die Batterie in Ihrem Smartphone verbessern könnten. Credit: ©2023 Zhu et al.
In Zusammenarbeit mit dem Forscher Gaoyan Zhu und Professor Peng Xue vom Beijing Computational Science Research Center experimentierte das Team mit Möglichkeiten, eine Quantenbatterie mithilfe optischer Apparaturen wie Laser, Linsen und Spiegeln aufzuladen. Der Ansatz erforderte jedoch einen Quanteneffekt, bei dem Ereignisse nicht kausal miteinander verbunden sind, wie es bei alltäglichen Dingen der Fall ist. Frühere Methoden zur Aufladung einer Quantenbatterie umfassten eine Reihe von aufeinanderfolgenden Ladevorgängen. Hier verwendete das Team jedoch einen neuartigen Quanteneffekt, den sie indefinite kausale Ordnung oder ICO nennen. In der klassischen Welt folgt Kausalität einem klaren Pfad, was bedeutet, dass, wenn Ereignis A zu Ereignis B führt, die Möglichkeit, dass B A verursacht, ausgeschlossen ist. Auf Quantenebene ermöglicht ICO jedoch, dass beide Richtungen der Kausalität in dem als Quantenüberlagerung bekannten Zustand existieren, in dem beide gleichzeitig wahr sein können.
Gewöhnliche Intuition legt nahe, dass ein leistungsstärkeres Ladegerät zu einer Batterie mit stärkerem Ladestand führt. Doch die aus ICO resultierende Entdeckung führt zu einer bemerkenswerten Umkehrung dieser Beziehung; nun wird es möglich, eine energiereichere Batterie mit deutlich weniger Leistung aufzuladen. Credit: ©2023 Chen et al.
“With ICO, we demonstrated that the way you charge a battery made up of quantum particles could drastically impact its performance,” said Chen. “We saw huge gains in both the energy stored in the system and the thermal efficiency. And somewhat counterintuitively, we discovered the surprising effect of an interaction that’s the inverse of what you might expect: A lower-power charger could provide higher energies with greater efficiency than a comparably higher-power charger using the same apparatus.”
The phenomenon of ICO the team explored could find uses beyond charging a new generation of low-power devices. The underlying principles, including the inverse interaction effect uncovered here, could improve the performance of other tasks involving thermodynamics or processes that involve the transfer of heat. One promising example is solar panels, where heat effects can reduce their efficiency, but ICO could be used to mitigate those and lead to gains in efficiency instead.
Reference: “Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment” by Gaoyan Zhu, Yuanbo Chen, Yoshihiko Hasegawa and Peng Xue, 13 December 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.240401
This work has been supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 92265209 and 12025401). Y. H. acknowledges support by JSPS KAKENHI Grant Number JP22H03659. Y.C. acknowledges support by JST SPRING, Grant Number JPMJSP2108.
