Les scientifiques proposent un nouveau schéma pour la batterie quantique en utilisant des guides d'ondes

7 mars 2024 Fonctionnalité

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par Tejasri Gururaj, Phys.org

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Boston propose un schéma de chargement d'une batterie quantique (QB) basé sur un guide d'ondes métallique rectangulaire creux. Cette approche leur permet de surmonter la décohérence induite par l'environnement et les limitations de distance de chargement. Les résultats sont publiés dans Physical Review Letters.

La demande et l'offre de batteries continuent de croître avec un accent sur l'amélioration du stockage d'énergie, de la longévité et des capacités de chargement. Sur ce front, les scientifiques développent maintenant des batteries quantiques qui exploitent les principes de la mécanique quantique pour stocker et fournir de l'énergie.

L'objectif est d'utiliser les principes fondamentaux de la mécanique quantique tels que l'entrelacement et la cohérence pour surmonter les contraintes de la physique classique, permettant ainsi d'obtenir une puissance de chargement plus forte, une capacité de chargement plus élevée et une plus grande extraction de travail par rapport aux homologues classiques.

La nouvelle étude explore la QB en plaçant la batterie et le chargeur dans un guide d'ondes rectangulaire creux. Cette méthode vise à atténuer les effets de la décohérence pour atteindre des performances de QB durables et efficaces.

Évoquant la motivation de l'équipe à explorer les batteries quantiques, l'auteur principal de l'étude, le Prof. Jun-Hong An de l'Université de Lanzhou, en Chine, a déclaré à Phys.org : "Les défis de décohérence entraînent la perte spontanée d'énergie de la QB, ce qui est appelé le vieillissement de la QB."

"L'autre défi pour les performances pratiques de QB est son faible rendement de chargement résultant de la fragilité des interactions cohérentes entre la QB et son chargeur. Nous voulions surmonter ces défis."

Le modèle de QB repose sur deux systèmes à deux niveaux (TLS), qui sont des systèmes ayant deux niveaux d'énergie distincts. Ces niveaux d'énergie sont généralement représentés par un état fondamental et un état excité.

Un système est la batterie elle-même et l'autre est le chargeur. Les processus de chargement et d'échange d'énergie entre ces TLS jouent un rôle clé dans le fonctionnement du système QB. Les TLS sont chargés en établissant un couplage cohérent avec d'autres TLS ou des champs externes.

Dans le contexte des QB, le couplage cohérent est une interaction synchronisée et corrélée entre ces systèmes quantiques, permettant le transfert ou l'échange d'énergie. Ces interactions cohérentes sont fragiles et introduisent de la décohérence dans ces systèmes.

"Tout système quantique ne peut pas être absolument isolé de son environnement extérieur, ce qui induit inévitablement une décohérence non désirée dans le système," a expliqué le Prof. Jun-Hong.

Ces modèles réalisent le chargement via l'interaction directe chargeur-QB. Cependant, cette relation est affectée par la distance entre les deux, entraînant une baisse de l'efficacité de chargement. Pour surmonter cela et le problème de décohérence, les chercheurs ont introduit des guides d'ondes rectangulaires creux.

Un guide d'ondes est une structure qui guide les ondes, généralement des ondes électromagnétiques, le long d'un chemin spécifique. Il agit comme un conduit pour les ondes, les confinant et les dirigeant pour qu'elles se déplacent de manière contrôlée.

« Le guide d'ondes métallique rectangulaire creux est utilisé pour collecter et guider le champ électromagnétique pour médier le transfert d'énergie entre la QB et le chargeur », a déclaré le Prof. Jun-Hong.

Le transfert d'énergie lui-même se fait sans contact direct entre les deux TLS, introduisant une approche novatrice au processus de chargement de la QB.

Le modèle des chercheurs repose sur l'interaction quantifiée entre le champ électromagnétique et la matière à l'intérieur d'un guide d'ondes.

Dans les limites du guide d'ondes, le champ électromagnétique possède des relations de dispersion spécifiques et des structures de bandes interdites, qui sont des paramètres influençant sa propagation et ses interactions au sein du système quantique.

Initialement, ce champ électromagnétique se trouve dans un état de vide, ce qui signifie qu'il n'y a pas de photons dans ses modes. Pendant ce temps, la QB est dans son état fondamental, et le chargeur est dans un état excité.

Le chargeur subit une transition de son état excité à l'état fondamental, émettant un photon dans le champ électromagnétique. Cela introduit une excitation dans le champ électromagnétique, conduisant à ce que le champ possède des modes infinis (ou configurations possibles).

Le photon est ensuite absorbé par la QB qui passe à un état excité.

Même si avoir des modes infinis dans le champ électromagnétique induirait normalement de la décohérence dans le système quantique, l'aspect surprenant est que les chercheurs ont trouvé que ce champ à modes infinis agit comme un environnement et, contrairement aux attentes, facilite l'échange d'énergie cohérent entre la QB et le chargeur.

'Our work reveals a mechanism for making a coherent QB-charger energy exchange happen by the mediation role of the infinite-mode electromagnetic field,' explained Prof. Jun-Hong.

The unexpected finding that decoherence in the system doesn't lead to the aging of the QB contradicts popular belief. Instead, the researchers note that the energy exchange is an optimal charging process—typically expected in scenarios where the charger and QB directly interact.

Further, their QB scheme showed a long range for wireless charging, with the formation of two bound states in the energy spectrum of the total systems (QB-charger-environment) playing a crucial role.

'A take-home message of our work is that the quantum interconnects favored by the waveguide supply us with a useful way to overcome the challenges in the practical realization of QB,' added Prof. Jun-Hong.

This improves the effectiveness of QB and opens the door to the possibility of lighter and thinner devices with greater facilitation, which also stands out for its durability.

Prof. Jun-Hong also highlighted that their device was completely safe and harmless as the electromagnetic field is always confined within the waveguide and the QB's energy storage, free from electrochemical reactions, promotes infinite reusability without environmental pollution.

The next step for the researchers is to scale their QB scheme.

'More specifically, we plan to develop a many-body QB model working in the way of remote wireless charging. This could permit us to efficiently incorporate the superiority of quantum entanglement in enhancing the charging power, charging capacity, and the extractable work of a remote-charging and anti-aging QB,' concluded Prof. Jun-Hong.

Journal information: Physical Review Letters , arXiv

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