En physique, la non-réciprocité se produit lorsque la réponse d’un système varie en fonction de la direction dans laquelle les ondes ou les signaux se propagent à l’intérieur de celui-ci. Cette asymétrie résulte d’une rupture dans la symétrie dite d’inversion du temps, ce qui signifie essentiellement que les processus d’un système observés au fur et à mesure de leur évolution dans le temps seront différents de ceux observés lors du rembobinage.
La non-réciprocité est couramment exploitée lors du développement de nouvelles technologies quantiques, par exemple pour permettre la circulation des signaux dans une direction spécifique et supprimer le bruit. Cependant, jusqu’à présent, elle avait rarement été appliquée au développement de solutions de stockage d’énergie quantique.
Des chercheurs de l’Université de Gdansk en Pologne et de l’Université de Calgary au Canada ont récemment exploré la possibilité d’utiliser la non-réciprocité pour optimiser la dynamique de charge des batteries quantiques. Leur papierPublié dans Lettres d’examen physiqueintroduit de nouvelles batteries quantiques non réciproques qui fonctionnent remarquablement bien, tant en termes de capacité énergétique que d’efficacité.
« Notre récent article est né de notre exploration continue de la non-réciprocité et de ses applications dans les technologies quantiques », a déclaré le professeur adjoint Shabir Barzanjeh, co-auteur de l’article, à Phys.org.
« L’idée fondamentale a été inspirée par les avantages inhérents des systèmes non réciproques en matière de flux de signaux directionnels et de suppression du bruit, qui sont cruciaux dans l’information et l’informatique quantiques. Nous visions à étendre ces avantages au domaine des batteries quantiques, en nous concentrant particulièrement sur l’optimisation du stockage d’énergie et dynamique de charge. »
L’objectif principal de l’étude menée par Barzanjeh et ses collègues était d’utiliser avec succès la non-réciprocité pour améliorer l’efficacité et la capacité des batteries quantiques, conduisant potentiellement à des innovations dans la manière dont les technologies quantiques stockent l’énergie.
Les batteries qu’ils ont conçues exploitent la rupture de la symétrie d’inversion du temps pour créer un flux direct d’énergie d’un chargeur quantique vers la batterie, empêchant ainsi le reflux d’énergie.
« Cela est réalisé grâce à l’ingénierie des réservoirs, où un environnement dissipatif, comme un guide d’ondes auxiliaire, facilite un transfert d’énergie efficace », a expliqué Barzanjeh.
« La configuration non réciproque améliore l’accumulation d’énergie en utilisant un processus de type interférence qui équilibre les interactions dissipatives avec les interactions cohérentes. Cette approche augmente considérablement l’énergie stockée, même dans des régimes de couplage suramortis, et est simple à mettre en œuvre à l’aide de circuits quantiques actuels dans les systèmes photoniques et supraconducteurs. «
Les chercheurs ont évalué les performances de leurs batteries quantiques non réciproques en exécutant une série de calculs et ont obtenu des résultats très prometteurs. En fait, ils ont découvert que leur conception non réciproque permettait de quadrupler l’efficacité du stockage d’énergie par rapport aux batteries quantiques conventionnelles.
« Nos résultats démontrent que les batteries quantiques non réciproques peuvent efficacement surmonter la dissipation locale et maintenir des taux de transfert d’énergie élevés », a déclaré Barzanjeh. « Les implications pratiques sont vastes, révolutionnant potentiellement le stockage d’énergie dans les technologies quantiques, permettant une détection quantique plus efficace, une capture d’énergie et même faisant progresser l’étude de la thermodynamique quantique. »
Les travaux récents de cette équipe de recherche ouvrent de nouvelles voies passionnantes pour l’utilisation de la non-réciprocité afin d’améliorer les performances et la fiabilité des batteries quantiques et d’autres systèmes quantiques.
Dans leurs prochaines études, Barzanjeh et ses collègues prévoient de continuer à évaluer le potentiel des batteries quantiques non réciproques, tout en optimisant leur conception et en intégrant leurs batteries dans des systèmes quantiques plus vastes.
« Nous visons maintenant à étudier l’interaction entre la non-réciprocité et d’autres ressources quantiques, telles que l’intrication et la catalyse quantique, afin de renforcer davantage les capacités de stockage d’énergie », a ajouté Barzanjeh.
« En outre, nous prévoyons de mettre en œuvre expérimentalement nos modèles théoriques dans des circuits quantiques pratiques, en validant nos découvertes et en affinant la technologie pour des applications réelles. Cela inclut l’exploration des propriétés chirales et topologiques des systèmes présentant un couplage avec perte, ce qui pourrait conduire à de nouvelles percées dans traitement de l’information quantique et stockage d’énergie.
Plus d’information:
B. Ahmadi et al, Batteries quantiques non réciproques, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.210402. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2401.05090
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