I computer quantistici offrono il potenziale per risolvere problemi computazionali che sono oltre la portata dei computer classici. Ad esempio, la società canadese Xanadu ha recentemente affermato che il suo computer quantistico è stato in grado di risolvere, in soli 36 microsecondi, un compito computazionale che avrebbe richiesto 9.000 anni utilizzando supercomputer all'avanguardia.

Tuttavia, le tecnologie quantistiche hanno bisogno di energia per funzionare. Questa semplice considerazione ha portato i ricercatori a sviluppare l'idea delle batterie quantistiche, che sono sistemi quantomeccanici utilizzati come dispositivi di accumulo di energia. Di recente, i ricercatori del Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS), in Corea del Sud, sono stati in grado di porre limiti rigorosi alle possibili prestazioni di carica di una batteria quantistica.

Nello specifico, hanno dimostrato che una collezione di batterie quantistiche può portare a un enorme miglioramento della velocità di ricarica rispetto a un protocollo di ricarica classico. Questo grazie agli effetti quantistici, che consentono di caricare simultaneamente le celle delle batterie quantistiche.

Nonostante questi risultati teorici, le realizzazioni sperimentali delle batterie quantistiche sono ancora scarse. L'unico controesempio degno di nota recente ha utilizzato una raccolta di sistemi a due livelli (molto simili ai qubit appena introdotti) per scopi di accumulo di energia, con l'energia fornita da un campo elettromagnetico (un laser).

Data la situazione attuale, è chiaramente della massima importanza trovare piattaforme quantistiche nuove e più accessibili che possano essere utilizzate come batterie quantistiche. Con questa motivazione in mente, i ricercatori dello stesso team IBS PCS, in collaborazione con Giuliano Benenti (Università dell'Insubria, Italia), hanno recentemente deciso di rivisitare un sistema quantomeccanico che è stato ampiamente studiato in passato:il micromaser.

Micromaser è un sistema in cui un raggio di atomi viene utilizzato per pompare fotoni in una cavità. In parole povere, un micromaser può essere pensato come una configurazione speculare al modello sperimentale di batteria quantistica sopra menzionato:l'energia viene immagazzinata nel campo elettromagnetico, che viene caricato da un flusso di qubit che interagiscono in sequenza con esso.

I ricercatori IBS PCS e il loro collaboratore hanno dimostrato che i micromaser hanno caratteristiche che consentono loro di fungere da eccellenti modelli di batterie quantistiche. Una delle principali preoccupazioni quando si cerca di utilizzare un campo elettromagnetico per immagazzinare energia è che, in linea di principio, il campo elettromagnetico potrebbe assorbire un'enorme quantità di energia, potenzialmente molto più di quanto necessario. Facendo un'analogia con una semplice custodia, questo corrisponderebbe a una batteria del telefono che, una volta collegata, continua ad aumentare la sua carica indefinitamente. In uno scenario del genere, dimenticare che il telefono è collegato potrebbe essere estremamente rischioso, poiché non ci sarebbe alcun meccanismo per interrompere la ricarica.

Fortunatamente, i risultati numerici del team mostrano che questo non può accadere nei micromaser. Il campo elettromagnetico raggiunge rapidamente una configurazione finale (tecnicamente chiamata stato stazionario), la cui energia può essere determinata e decisa a priori in fase di costruzione del micromaser. Questa proprietà garantisce protezione dai rischi di sovraccarico.

Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che la configurazione finale del campo elettromagnetico è allo stato puro, il che significa che non porta memoria dei qubit che sono stati utilizzati durante la ricarica. Quest'ultima proprietà è particolarmente cruciale quando si ha a che fare con una batteria quantistica. Garantisce che tutta l'energia immagazzinata nella batteria possa essere estratta e utilizzata quando necessario, senza la necessità di tenere traccia dei qubit utilizzati durante il processo di ricarica.

Infine, è stato dimostrato che queste caratteristiche interessanti sono robuste e non vengono distrutte modificando i parametri specifici definiti in questo studio. Questa proprietà è di chiara importanza quando si cerca di costruire una vera batteria quantistica poiché le imperfezioni nel processo di costruzione sono semplicemente inevitabili.

È interessante notare che in una serie parallela di articoli Stefan Nimmrichter e i suoi collaboratori hanno dimostrato che gli effetti quantistici possono rendere il processo di carica del micromaser più veloce della carica classica. In altre parole, sono stati in grado di mostrare la presenza del vantaggio quantistico precedentemente menzionato durante la carica di una batteria micromaser.

Tutti questi risultati suggeriscono che il micromaser potrebbe essere considerato una nuova piattaforma promettente che può essere utilizzata per costruire batterie quantistiche. Il fatto che questi sistemi siano già stati implementati in realizzazioni sperimentali per molti anni potrebbe dare un serio impulso nella costruzione di nuovi prototipi accessibili di batterie quantistiche.

A tal fine, i ricercatori IBS PCS e Giuliano Benenti stanno attualmente avviando una collaborazione congiunta con Stefan Nimmrichter e i suoi collaboratori, per esplorare ulteriormente questi promettenti modelli. La speranza è che questa nuova collaborazione di ricerca sarà finalmente in grado di confrontare e testare sperimentalmente le prestazioni dei dispositivi a batteria quantistica basati su micromaser.

La ricerca è stata pubblicata su Quantum Science and Technology . + Esplora ulteriormente

Il superassorbimento sblocca la chiave per le batterie quantistiche di prossima generazione