Rompiendo la causalidad: El poder revolucionario de las baterías cuánticas.

Las baterías cuánticas, con sus innovadores métodos de carga, representan un avance en la tecnología de las baterías, prometiendo una mayor eficiencia y aplicaciones más amplias en soluciones de energía sostenible. Crédito: SciTechDaily.com

Una nueva forma de cargar las baterías aprovecha el poder del "orden causal indefinido".

Las baterías que explotan los fenómenos cuánticos para obtener, distribuir y almacenar energía prometen superar las capacidades y utilidades de las baterías químicas convencionales en ciertas aplicaciones de baja potencia. Por primera vez, investigadores, incluidos los de la Universidad de Tokio, aprovechan un proceso cuántico no intuitivo que desecha la noción convencional de causalidad para mejorar el rendimiento de las llamadas baterías cuánticas, acercando así esta futura tecnología un poco más a la realidad.

Cuando escuchas la palabra "cuántico", la física que rige el mundo subatómico, los desarrollos en computadoras cuánticas tienden a acaparar los titulares, pero hay otras tecnologías cuánticas emergentes que vale la pena prestarles atención. Uno de esos elementos es la batería cuántica, que, aunque al principio puede resultar confusa en su nombre, tiene un potencial sin explorar para soluciones de energía sostenible y una posible integración en futuros vehículos eléctricos. Sin embargo, estos nuevos dispositivos están preparados para encontrar uso en varias aplicaciones portátiles y de baja potencia, especialmente cuando las oportunidades de recarga son escasas.

En el mundo clásico, si intentaras cargar una batería usando dos cargadores, tendrías que hacerlo en secuencia, limitando las opciones disponibles a solo dos posibles órdenes. Sin embargo, aprovechando el novedoso efecto cuántico llamado ICO, se abre la posibilidad de cargar las baterías cuánticas de una manera distintivamente no convencional. Aquí, múltiples cargadores dispuestos en diferentes órdenes pueden existir simultáneamente, formando una superposición cuántica. Crédito: ©2023 Chen et al.

En la actualidad, las baterías cuánticas solo existen como experimentos de laboratorio, y los investigadores de todo el mundo están trabajando en los diferentes aspectos que esperan combinar algún día en una aplicación completamente funcional y práctica. El estudiante de posgrado Yuanbo Chen y el profesor asociado Yoshihiko Hasegawa del Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicación de la Universidad de Tokio están investigando la mejor manera de cargar una batería cuántica, y ahí es donde entra en juego el tiempo. Una de las ventajas de las baterías cuánticas es que deberían ser increíblemente eficientes, pero eso depende de la forma en que se cargan.

"Las baterías actuales para dispositivos de baja potencia, como teléfonos inteligentes o sensores, suelen utilizar productos químicos como el litio para almacenar carga, mientras que una batería cuántica utiliza partículas microscópicas como matrices de átomos", dijo Chen. "Si bien las baterías químicas se rigen por las leyes clásicas de la física, las partículas microscópicas son de naturaleza cuántica, por lo que tenemos la oportunidad de explorar formas de usarlas que doblen o incluso rompan nuestras nociones intuitivas de lo que ocurre a pequeña escala. Me interesa especialmente la forma en que las partículas cuánticas pueden trabajar para violar una de nuestras experiencias más fundamentales, la del tiempo".

Aunque todavía es considerablemente más grande que la batería AA que podrías encontrar en casa, el dispositivo experimental que actúa como una batería cuántica demostró características de carga que podrían mejorar en algún momento la batería de tu teléfono inteligente. Crédito: ©2023 Zhu et al.

En colaboración con el investigador Gaoyan Zhu y el profesor Peng Xue del Centro de Investigación en Ciencias Computacionales de Beijing, el equipo experimentó con formas de cargar una batería cuántica utilizando dispositivos ópticos como láseres, lentes y espejos, pero la forma en que lo lograron implicó un efecto cuántico donde los eventos no están causalmente conectados de la misma manera que las cosas cotidianas. Los métodos anteriores para cargar una batería cuántica implicaban una serie de etapas de carga una tras otra. Sin embargo, aquí, el equipo utilizó un novedoso efecto cuántico al que llaman orden causal indefinido, o ICO. En el ámbito clásico, la causalidad sigue un camino claro, lo que significa que si el evento A conduce al evento B, entonces se excluye la posibilidad de que B cause A. Sin embargo, a la escala cuántica, ICO permite que ambas direcciones de causalidad existan en lo que se conoce como una superposición cuántica, donde ambas pueden ser simultáneamente verdaderas.

La intuición común sugiere que un cargador más potente da como resultado una batería con una carga más fuerte. Sin embargo, el descubrimiento derivado de ICO introduce una notable reversión en esta relación; ahora, se vuelve posible cargar una batería más energética con significativamente menos potencia. Crédito: ©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.