In der Physik liegt Nichtreziprozität vor, wenn die Reaktion eines Systems je nach der Richtung variiert, in der sich Wellen oder Signale darin ausbreiten. Diese Asymmetrie entsteht durch einen Bruch in der sogenannten Zeitumkehrsymmetrie, was im Wesentlichen bedeutet, dass die beobachteten Prozesse eines Systems im Laufe der Zeit anders sind als die Prozesse, die beim Zurückspulen beobachtet werden.
Bei der Entwicklung neuer Quantentechnologien wird die Nichtreziprozität häufig genutzt, um beispielsweise den Signalfluss in eine bestimmte Richtung zu ermöglichen und Rauschen zu unterdrücken. Bei der Entwicklung von Quantenenergiespeicherlösungen wurde sie bisher allerdings selten angewandt.
Forscher der Universität Danzig in Polen und der Universität Calgary in Kanada untersuchten kürzlich die Möglichkeit, die Nichtreziprozität zu nutzen, um die Ladedynamik von Quantenbatterien zu optimieren. Ihr Papierveröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungstellt neue nichtreziproke Quantenbatterien vor, die sowohl hinsichtlich der Energiekapazität als auch der Effizienz bemerkenswert gute Leistungen erbringen.
„Unsere neueste Arbeit ist das Ergebnis unserer fortlaufenden Erforschung der Nichtreziprozität und ihrer Anwendungen in Quantentechnologien“, sagte Assistenzprofessor Shabir Barzanjeh, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org.
„Die Grundidee wurde von den inhärenten Vorteilen nichtreziproker Systeme bei gerichtetem Signalfluss und Rauschunterdrückung inspiriert, die bei Quanteninformationen und -berechnungen von entscheidender Bedeutung sind. Unser Ziel war es, diese Vorteile auf den Bereich der Quantenbatterien auszudehnen, wobei wir uns insbesondere auf die Optimierung der Energiespeicherung und der Ladedynamik konzentrierten.“
Das Hauptziel der Studie von Barzanjeh und seinen Kollegen bestand darin, die Nichtreziprozität erfolgreich zu nutzen, um die Effizienz und Kapazität von Quantenbatterien zu verbessern und so möglicherweise zu Innovationen bei der Energiespeicherung durch Quantentechnologien zu führen.
Die von ihnen entwickelten Batterien nutzen die Unterbrechung der Zeitumkehrsymmetrie, um einen direkten Energiefluss von einem Quantenladegerät zur Batterie zu erzeugen und so einen Energierückfluss zu verhindern.
„Dies wird durch Reservoir-Engineering erreicht, bei dem eine dissipative Umgebung, wie ein zusätzlicher Wellenleiter, eine effektive Energieübertragung erleichtert“, erklärte Barzanjeh.
„Der nichtreziproke Aufbau verbessert die Energieakkumulation durch einen Interferenz-ähnlichen Prozess, der dissipative Wechselwirkungen mit kohärenten Wechselwirkungen ausgleicht. Dieser Ansatz erhöht die gespeicherte Energie erheblich, sogar in überdämpften Kopplungsregimen, und ist mit aktuellen Quantenschaltkreisen in Photonik- und supraleitenden Systemen einfach umzusetzen.“
Die Forscher bewerteten die Leistung ihrer nichtreziproken Quantenbatterien durch eine Reihe von Berechnungen und kamen zu vielversprechenden Ergebnissen. Tatsächlich stellten sie fest, dass ihr nichtreziprokes Design zu einer vierfachen Verbesserung der Energiespeichereffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Quantenbatterien führte.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass nichtreziproke Quantenbatterien die lokale Dissipation effektiv überwinden und hohe Energieübertragungsraten aufrechterhalten können“, sagte Barzanjeh. „Die praktischen Auswirkungen sind weitreichend und könnten die Energiespeicherung in Quantentechnologien revolutionieren, effizientere Quantensensorik und Energiegewinnung ermöglichen und sogar das Studium der Quantenthermodynamik vorantreiben.“
Die jüngste Arbeit dieses Forschungsteams eröffnet neue spannende Möglichkeiten für die Nutzung der Nichtreziprozität, um die Leistung und Zuverlässigkeit sowohl von Quantenbatterien als auch anderen Quantensystemen zu verbessern.
In ihren nächsten Studien planen Barzanjeh und seine Kollegen, das Potenzial nichtreziproker Quantenbatterien weiter zu untersuchen und gleichzeitig ihr Design zu optimieren und ihre Batterien in größere Quantensysteme zu integrieren.
„Unser Ziel ist es nun, das Zusammenspiel zwischen Nichtreziprozität und anderen Quantenressourcen wie Verschränkung und Quantenkatalyse zu untersuchen, um die Energiespeicherkapazitäten weiter zu steigern“, fügte Barzanjeh hinzu.
„Darüber hinaus planen wir, unsere theoretischen Modelle experimentell in praktischen Quantenschaltkreisen umzusetzen, unsere Erkenntnisse zu validieren und die Technologie für reale Anwendungen zu verfeinern. Dazu gehört die Erforschung der chiralen und topologischen Eigenschaften von Systemen mit verlustbehafteter Kopplung, was zu neuen Durchbrüchen in der Quanteninformationsverarbeitung und Energiespeicherung führen könnte.“
Mehr Informationen:
B. Ahmadi et al, Nichtreziproke Quantenbatterien, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.210402. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2401.05090
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