Rompre la causalité: Le pouvoir révolutionnaire des batteries quantiques

Les batteries quantiques, avec leurs méthodes de charge innovantes, représentent un bond en avant dans la technologie des batteries, promettant une efficacité accrue et des applications plus larges dans les solutions d'énergie durable. Crédit : SciTechDaily.com

Une nouvelle façon de charger les batteries exploite le pouvoir de "l'ordre causal indéfini".

Les batteries qui exploitent les phénomènes quantiques pour acquérir, distribuer et stocker de l'énergie promettent de surpasser les capacités et l'utilité des batteries chimiques classiques dans certaines applications à faible puissance. Pour la première fois, des chercheurs, dont ceux de l'Université de Tokyo, exploitent un processus quantique contre-intuitif qui ignore la notion conventionnelle de causalité pour améliorer les performances des soi-disant batteries quantiques, rapprochant ainsi un peu plus cette technologie future de la réalité.

Lorsque vous entendez le mot "quantique", la physique qui régit le monde subatomique, les développements dans les ordinateurs quantiques ont tendance à faire les gros titres, mais il existe d'autres technologies quantiques à venir qui méritent d'être prises en compte. L'une de ces technologies est la batterie quantique qui, bien que son nom puisse être initialement déconcertant, présente un potentiel inexploité pour les solutions d'énergie durable et une intégration possible dans les futurs véhicules électriques. Néanmoins, ces nouveaux dispositifs sont destinés à être utilisés dans diverses applications portables et à faible puissance, en particulier lorsque les opportunités de recharge sont rares.

Dans le monde classique, si vous essayez de charger une batterie avec deux chargeurs, vous devriez le faire en séquence, limitant les options disponibles à seulement deux ordres possibles. Cependant, en exploitant le nouvel effet quantique appelé ICO, il est possible de charger des batteries quantiques de manière distinctivement non conventionnelle. Ici, plusieurs chargeurs agencés dans des ordres différents peuvent exister simultanément, formant une superposition quantique. Crédit : ©2023 Chen et al.

À l'heure actuelle, les batteries quantiques ne sont encore que des expériences de laboratoire, et des chercheurs du monde entier travaillent sur les différents aspects qui devront un jour se combiner pour former une application pleinement fonctionnelle et pratique. Yuanbo Chen, étudiant diplômé, et le professeur associé Yoshihiko Hasegawa du département d'ingénierie de l'information et de la communication de l'Université de Tokyo étudient la meilleure façon de charger une batterie quantique, et c'est là que le temps intervient. L'un des avantages des batteries quantiques est qu'elles devraient être incroyablement efficaces, mais cela dépend de la manière dont elles sont chargées.

"Les batteries actuelles pour les appareils à faible puissance, tels que les smartphones ou les capteurs, utilisent généralement des produits chimiques tels que le lithium pour stocker la charge, tandis qu'une batterie quantique utilise des particules microscopiques telles que des réseaux d'atomes", explique Chen. "Alors que les batteries chimiques sont régies par les lois classiques de la physique, les particules microscopiques sont quantiques par nature, nous avons donc la possibilité d'explorer des moyens de les utiliser qui plient ou même rompent nos notions intuitives de ce qui se passe à petite échelle. Je m'intéresse particulièrement à la façon dont les particules quantiques peuvent contredire l'une de nos expériences les plus fondamentales, celle du temps."

Alors qu'il est encore un peu plus grand que la pile AA que l'on peut trouver à la maison, l'appareil expérimental agissant comme une batterie quantique a montré des caractéristiques de charge qui pourraient un jour améliorer la batterie de votre smartphone. Crédit : ©2023 Zhu et al.

En collaboration avec le chercheur Gaoyan Zhu et le professeur Peng Xue du Centre de recherche en science informatique de Beijing, l'équipe a expérimenté des façons de charger une batterie quantique en utilisant des appareils optiques tels que des lasers, des lentilles et des miroirs, mais la manière dont ils y sont parvenus nécessitait un effet quantique où les événements ne sont pas liés de manière causale comme les choses quotidiennes. Les méthodes précédentes pour charger une batterie quantique impliquaient une série d'étapes de charge les unes après les autres. Cependant, ici, l'équipe a plutôt utilisé un nouvel effet quantique qu'ils appellent « ordre causal indéfini », ou ICO. Dans le domaine classique, la causalité suit un chemin clair, ce qui signifie que si l'événement A conduit à l'événement B, alors la possibilité que B cause A est exclue. Cependant, à l'échelle quantique, l'ICO permet aux deux directions de la causalité d'exister dans ce que l'on appelle une superposition quantique, où les deux peuvent être simultanément vrais.

L'intuition commune suggère qu'un chargeur plus puissant donne une batterie plus chargée. Cependant, la découverte découlant de l'ICO introduit un renversement remarquable de cette relation ; il devient maintenant possible de charger une batterie plus énergique avec beaucoup moins de puissance. Crédit : ©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.