Quantencomputer bieten das Potenzial, Rechenprobleme zu lösen, die für klassische Computer unerreichbar sind. Beispielsweise behauptete kürzlich das kanadische Unternehmen Xanadu, sein Quantencomputer sei in der Lage gewesen, in nur 36 Mikrosekunden eine Rechenaufgabe zu lösen, die mit hochmodernen Supercomputern 9.000 Jahre gedauert hätte.
Quantentechnologien benötigen jedoch Energie, um zu funktionieren. Diese einfache Überlegung hat Forscher dazu veranlasst, die Idee von Quantenbatterien zu entwickeln, bei denen es sich um quantenmechanische Systeme handelt, die als Energiespeichergeräte verwendet werden. Kürzlich konnten Forscher des Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) innerhalb des Institute for Basic Science (IBS), Südkorea, die mögliche Ladeleistung einer Quantenbatterie streng einschränken.
Konkret zeigten sie, dass eine Sammlung von Quantenbatterien zu einer enormen Verbesserung der Ladegeschwindigkeit im Vergleich zu einem klassischen Ladeprotokoll führen kann. Dies ist Quanteneffekten zu verdanken, die ein gleichzeitiges Laden der Zellen in Quantenbatterien ermöglichen.
Trotz dieser theoretischen Errungenschaften sind die experimentellen Realisierungen von Quantenbatterien noch rar. Das einzige bemerkenswerte Gegenbeispiel aus jüngster Zeit verwendete eine Sammlung von zweistufigen Systemen (den gerade vorgestellten Qubits sehr ähnlich) für Energiespeicherzwecke, wobei die Energie von einem elektromagnetischen Feld (einem Laser) bereitgestellt wurde.
Angesichts der aktuellen Situation ist es eindeutig von größter Bedeutung, neue und besser zugängliche Quantenplattformen zu finden, die als Quantenbatterien verwendet werden können. Vor diesem Hintergrund haben Forscher desselben IBS PCS-Teams in Zusammenarbeit mit Giuliano Benenti (Universität Insubria, Italien) kürzlich beschlossen, ein in der Vergangenheit intensiv untersuchtes quantenmechanisches System erneut zu untersuchen: den Mikromaser.
Micromaser ist ein System, bei dem ein Atomstrahl verwendet wird, um Photonen in einen Hohlraum zu pumpen. Einfach ausgedrückt kann man sich einen Mikromaser als eine Konfiguration vorstellen, die dem oben erwähnten experimentellen Modell der Quantenbatterie widerspiegelt: Die Energie wird im elektromagnetischen Feld gespeichert, das durch einen Strom von Qubits aufgeladen wird, die nacheinander damit interagieren.
Die IBS PCS-Forscher und ihr Mitarbeiter zeigten, dass Mikromaser über Eigenschaften verfügen, die es ihnen ermöglichen, als hervorragende Modelle von Quantenbatterien zu dienen. Eines der Hauptprobleme beim Versuch, ein elektromagnetisches Feld zum Speichern von Energie zu verwenden, besteht darin, dass das elektromagnetische Feld im Prinzip eine enorme Energiemenge absorbieren könnte, möglicherweise viel mehr als nötig. In Analogie zu einem einfachen Fall würde dies einem Telefonakku entsprechen, der, wenn er eingesteckt ist, seine Ladung auf unbestimmte Zeit erhöht. In einem solchen Szenario könnte es äußerst riskant sein, zu vergessen, dass das Telefon angeschlossen ist, da es keinen Mechanismus zum Stoppen des Ladevorgangs gibt.
Glücklicherweise zeigen die numerischen Ergebnisse des Teams, dass dies bei Mikromasern nicht passieren kann. Das elektromagnetische Feld erreicht schnell eine endgültige Konfiguration (technisch als stationärer Zustand bezeichnet), deren Energie beim Bau des Mikromasers a priori bestimmt und entschieden werden kann. Diese Eigenschaft gewährleistet Schutz vor Überladungsrisiken.
Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass sich die endgültige Konfiguration des elektromagnetischen Felds in einem reinen Zustand befindet, was bedeutet, dass es keine Erinnerung an die Qubits mitbringt, die während des Ladevorgangs verwendet wurden. Letztere Eigenschaft ist besonders entscheidend, wenn es um eine Quantenbatterie geht. Es stellt sicher, dass die gesamte in der Batterie gespeicherte Energie bei Bedarf entnommen und verwendet werden kann, ohne dass die während des Ladevorgangs verwendeten Qubits verfolgt werden müssen.
Schließlich wurde gezeigt, dass diese ansprechenden Merkmale robust sind und nicht durch die Änderung der in dieser Studie definierten spezifischen Parameter zerstört werden. Diese Eigenschaft ist von klarer Bedeutung, wenn man versucht, eine echte Quantenbatterie zu bauen, da Unvollkommenheiten im Bauprozess einfach unvermeidlich sind.
Interessanterweise haben Stefan Nimmrichter und seine Mitarbeiter in einer parallelen Reihe von Arbeiten gezeigt, dass Quanteneffekte den Ladevorgang des Mikromasers schneller machen können als das klassische Laden. Mit anderen Worten, sie konnten den zuvor erwähnten Quantenvorteil beim Laden einer Mikromaser-Batterie nachweisen.
All diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Micromaser als vielversprechende neue Plattform angesehen werden könnte, die zum Bau von Quantenbatterien verwendet werden kann. Die Tatsache, dass diese Systeme bereits seit vielen Jahren in experimentellen Realisierungen implementiert sind, könnte dem Bau neuer zugänglicher Prototypen von Quantenbatterien einen ernsthaften Schub geben.
Zu diesem Zweck starten die IBS PCS-Forscher und Giuliano Benenti derzeit eine gemeinsame Zusammenarbeit mit Stefan Nimmrichter und seinen Mitarbeitern, um diese vielversprechenden Modelle weiter zu erforschen. Die Hoffnung ist, dass diese neue Forschungskooperation endlich in der Lage sein wird, die Leistung von Mikromaser-basierten Quantenbatteriegeräten zu bewerten und experimentell zu testen.
Die Studie wurde veröffentlicht in Quantenwissenschaft und -technologie.
Vahid Shaghaghi et al, Mikromaser als Quantenbatterien, Quantenwissenschaft und -technologie (2022). DOI: 10.1088/2058-9565/ac8829