Cientistas do Centro RIKEN de Computação Quântica e da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong conduziram um estudo teórico que mostra como uma “bateria quântica topológica” pode ser projetada com eficiência. Este conceito inovador utiliza as propriedades topológicas dos guias de onda fotônicos e o comportamento quântico dos átomos de dois níveis para armazenar e transferir energia. Suas descobertas, publicadas Carta de revisão físicaapontam para aplicações potenciais em armazenamento de energia em nanoescala, comunicação quântica óptica e sistemas de computação quântica distribuída.
A promessa das baterias quânticas
À medida que a sustentabilidade ambiental se torna uma preocupação global cada vez mais urgente, os investigadores estão a explorar novas abordagens para o armazenamento de energia da próxima geração. Baterias quânticas – dispositivos teóricos em miniatura que armazenam energia usando fenômenos quânticos como superposição, emaranhamento e coerência em vez de reações químicas tradicionais – poderiam redefinir como a energia é armazenada e transferida. Em princípio, estas baterias podem oferecer diversas vantagens em relação às baterias convencionais, incluindo carregamento mais rápido, maior capacidade e maior eficiência na extração de energia.
Superando os desafios dos sistemas de energia quântica
Apesar de anos de propostas, a implementação prática de baterias quânticas permaneceu fora de alcance. Em situações do mundo real, estes sistemas são particularmente vulneráveis à perda de energia e à decoerência, um processo no qual os sistemas quânticos perdem propriedades essenciais como emaranhamento e superposição, levando à degradação do desempenho. Em sistemas fotônicos que usam guias de onda simples (não topológicos) – canais que guiam os fótons, mas são sensíveis a curvaturas ou imperfeições – a eficiência energética cai rapidamente à medida que os fótons se propagam dentro do guia. Desafios adicionais, como ruído ambiental, desperdício e desordem estrutural, prejudicam ainda mais a estabilidade e a eficiência do armazenamento.
Usando topologia para melhorar o desempenho da bateria
Para resolver estas questões persistentes, a equipa de investigação internacional utilizou modelação analítica e numérica dentro de um quadro teórico. Aproveitando as propriedades topológicas – propriedades do material que permanecem inalteradas mesmo quando a estrutura é torcida ou dobrada – eles mostraram que é possível obter transferência de energia de longa distância e imunidade em baterias quânticas. Numa reviravolta inesperada, os investigadores também descobriram que a dissipação, que normalmente prejudica o desempenho, pode aumentar temporariamente a potência de carregamento sob certas condições.
Descobertas inovadoras e implicações futuras
A pesquisa revelou vários resultados promissores que aproximam as baterias quânticas topológicas do uso prático. A equipe mostrou que a natureza topológica do guia de ondas fotônico permite uma transferência de energia quase perfeita. Quando a fonte de carga e a bateria ocupam o mesmo local, o sistema ganha resistência à dissipação confinada a uma única sub-rede. Eles também descobriram que quando a dissipação excede um nível crítico, a potência de carregamento experimenta um aumento breve, mas significativo, derrubando a noção de longa data de que a perda de energia é sempre prejudicial.
Rumo a baterias quânticas do mundo real
“Nossa pesquisa fornece novos insights de uma perspectiva topológica e nos aponta para a realização de dispositivos de armazenamento de microenergia de alto desempenho. Ao superar as limitações práticas de desempenho das baterias quânticas causadas pela transmissão e utilização de energia de longa distância, esperamos acelerar a transição da teoria da aplicação de bateria para a aplicação de bateria, “o primeiro autor do estudo.
“Olhando para o futuro, continuaremos a trabalhar para preencher a lacuna entre os estudos teóricos e a implantação prática de dispositivos quânticos – inaugurando a era quântica que há muito imaginamos”, disse o autor correspondente Cheng Shang, da equipe de pesquisa internacional.
