Rompendo la causalità: il potere rivoluzionario delle batterie quantistiche

Le batterie quantistiche, con i loro metodi innovativi di ricarica, rappresentano un salto in avanti nella tecnologia delle batterie, promettendo una maggiore efficienza e applicazioni più ampie nelle soluzioni di energia sostenibile. Crediti: SciTechDaily.com

Un nuovo modo per caricare le batterie sfrutta il potere dell '"ordine causale indefinito".

Le batterie che sfruttano i fenomeni quantistici per acquisire, distribuire e immagazzinare energia promettono di superare le capacità e l'utilità delle batterie chimiche convenzionali in determinate applicazioni a bassa potenza. Per la prima volta, i ricercatori, tra cui quelli dell'Università di Tokyo, sfruttano un processo quantistico poco intuitivo che ignora la nozione convenzionale di causalità per migliorare le prestazioni delle cosiddette batterie quantistiche, avvicinando così un po' di più questa tecnologia del futuro alla realtà.

Quando si sente la parola "quantistico", la fisica che governa il mondo subatomico, gli sviluppi dei computer quantistici tendono a rubare i titoli, ma ci sono altre tecnologie quantistiche imminenti che vale la pena tenere d'occhio. Uno di questi è la batteria quantistica che, sebbene all'inizio possa sembrare confusa nel nome, ha un potenziale inesplorato per soluzioni energetiche sostenibili e possibile integrazione in futuri veicoli elettrici. Tuttavia, questi nuovi dispositivi sono pronti a trovare utilizzo in varie applicazioni portatili e a bassa potenza, specialmente quando le opportunità di ricarica sono scarse.

Nel mondo classico, se provassi a caricare una batteria utilizzando due caricabatterie, dovresti farlo in sequenza, limitando le opzioni disponibili a soli due ordini possibili. Tuttavia, sfruttando l'effetto quantistico chiamato ICO, si apre la possibilità di caricare le batterie quantistiche in modo distintivamente non convenzionale. Qui, più caricabatterie disposti in diversi ordini possono esistere contemporaneamente, formando una sovrapposizione quantistica. Crediti: ©2023 Chen et al.

Attualmente, le batterie quantistiche esistono solo come esperimenti di laboratorio e ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando sui diversi aspetti che si spera un giorno si combinino in un'applicazione completamente funzionante e pratica. Lo studente di dottorato Yuanbo Chen e il professore associato Yoshihiko Hasegawa del Dipartimento di Ingegneria delle Informazioni e della Comunicazione dell'Università di Tokyo stanno studiando il miglior modo di caricare una batteria quantistica, ed è qui che entra in gioco il tempo. Uno dei vantaggi delle batterie quantistiche è che dovrebbero essere incredibilmente efficienti, ma ciò dipende dal modo in cui vengono caricate.

"Le attuali batterie per dispositivi a bassa potenza, come smartphone o sensori, utilizzano tipicamente sostanze chimiche come il litio per immagazzinare la carica, mentre una batteria quantistica utilizza particelle microscopiche come reticoli di atomi", ha detto Chen. "Mentre le batterie chimiche sono governate dalle leggi classiche della fisica, le particelle microscopiche sono di natura quantistica, quindi abbiamo la possibilità di esplorare modi per utilizzarle che piegano o addirittura violano le nostre intuizioni su ciò che accade a piccola scala. Sono particolarmente interessato al modo in cui le particelle quantistiche possono lavorare per violare una delle nostre esperienze più fondamentali, quella del tempo".

Anche se è ancora molto più grande della batteria AA che si potrebbe trovare in casa, l'apparato sperimentale che funge da batteria quantistica ha dimostrato caratteristiche di ricarica che potrebbero un giorno migliorare la batteria del tuo smartphone. Crediti: ©2023 Zhu et al.

In collaborazione con il ricercatore Gaoyan Zhu e il professore Peng Xue del Beijing Computational Science Research Center, il team ha sperimentato modi per caricare una batteria quantistica utilizzando apparecchiature ottiche come laser, lenti e specchi, ma il modo in cui ci sono riusciti ha reso necessario un effetto quantistico in cui gli eventi non sono collegati causalmente come le cose quotidiane. Metodi precedenti per caricare una batteria quantistica prevedevano una serie di fasi di ricarica una dopo l'altra. Tuttavia, qui, il team ha invece utilizzato un nuovo effetto quantistico che chiamano ordine causale indefinito, o ICO. Nel mondo classico, la causalità segue un percorso chiaro, il che significa che se l'evento A porta all'evento B, allora la possibilità che B causi A viene esclusa. Tuttavia, a livello quantistico, l'ICO consente l'esistenza di entrambe le direzioni di causalità in quella che è nota come sovrapposizione quantistica, dove entrambe possono essere simultaneamente vere.

L'intuizione comune suggerisce che un caricabatterie più potente conferisca alla batteria una carica più forte. Tuttavia, la scoperta derivante dall'ICO introduce un'inversione notevole in questa relazione; ora diventa possibile caricare una batteria più energetica con una potenza significativamente inferiore. Crediti: ©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.