I ricercatori dell’Università di Danzica in Polonia e dell’Università di Calgary in Canada hanno recentemente esplorato la possibilità di utilizzare la non reciprocità per ottimizzare la dinamica di carica delle batterie quantistiche. Il loro studio introduce nuove batterie quantistiche non reciproche che funzionano notevolmente bene, sia in termini di capacità energetica che di efficienza.
La non reciprocità delle batterie quantistiche
In fisica, la non reciprocità si verifica quando la risposta di un sistema varia a seconda della direzione in cui le onde o i segnali si propagano al suo interno. Questa asimmetria deriva da una rottura nella cosiddetta simmetria di inversione temporale, il che significa essenzialmente che i processi di un sistema osservati mentre si evolvono nel tempo saranno diversi rispetto a quelli osservati durante il riavvolgimento.
La non reciprocità viene comunemente sfruttata quando si sviluppano nuove tecnologie quantistiche, ad esempio, per consentire il flusso di segnali in una direzione specifica e per sopprimere il rumore. Finora, tuttavia, era stato applicato raramente allo sviluppo di soluzioni di stoccaggio dell’energia quantistica.
Lo studio
“Il recente nostro studio è nato dalla nostra continua esplorazione della non reciprocità e delle sue applicazioni nelle tecnologie quantistiche”, ha detto a il Professore assistente Shabir Barzanjeh, coautore dell’articolo.
“L’idea fondamentale è stata ispirata dai vantaggi intrinseci dei sistemi non reciproci nel flusso del segnale direzionale e nella soppressione del rumore, che sono cruciali nell’informazione e nell’informatica quantistica. Il nostro obiettivo era estendere questi vantaggi al regno delle batterie quantistiche, concentrandoci in particolare sull’ottimizzazione dell’accumulo di energia e dinamica di carica“.
L’obiettivo principale dello studio di Barzanjeh e dei suoi colleghi era utilizzare con successo la non reciprocità per migliorare l’efficienza e la capacità delle batterie quantistiche, portando potenzialmente a innovazioni nel modo in cui le tecnologie quantistiche immagazzinano energia.
Le batterie quantistiche progettate sfruttano la rottura della simmetria dell’inversione temporale per creare un flusso diretto di energia da un caricabatterie quantistico alla batteria, prevenendo il riflusso di energia.
“Questo si ottiene attraverso l’ingegneria dei serbatoi, in cui un ambiente dissipativo, come una guida d’onda ausiliaria, facilita un efficace trasferimento di energia“, ha spiegato Barzanjeh.
“La configurazione non reciproca migliora l’accumulo di energia utilizzando un processo simile all’interferenza che bilancia le interazioni dissipative con quelle coerenti. Questo approccio aumenta significativamente l’energia immagazzinata, anche in regimi di accoppiamento sovrasmorzati, ed è semplice da implementare utilizzando gli attuali circuiti quantistici nella fotonica e nei sistemi superconduttori“.
I ricercatori hanno valutato le prestazioni delle loro batterie quantistiche non reciproche eseguendo una serie di calcoli e hanno ottenuto risultati molto promettenti. In effetti, hanno scoperto che la loro progettazione non reciproca ha portato a un miglioramento quadruplo dell’efficienza di stoccaggio dell’energia rispetto alle batterie quantistiche convenzionali.
“I nostri risultati dimostrano che le batterie quantistiche non reciproche possono superare efficacemente la dissipazione locale e mantenere elevate velocità di trasferimento di energia“, ha affermato Barzanjeh.
“Le implicazioni pratiche sono estese e potenzialmente rivoluzionano lo stoccaggio dell’energia nelle tecnologie quantistiche, consentendo un rilevamento quantistico più efficiente, la cattura dell’energia e persino facendo avanzare lo studio della termodinamica quantistica”.
Conclusioni
Il recente lavoro di questo gruppo di ricerca apre nuove entusiasmanti strade per l’uso della non reciprocità per migliorare le prestazioni e l’affidabilità sia delle batterie quantistiche che di altri sistemi quantistici.
Nei loro prossimi studi, Barzanjeh e i suoi colleghi intendono continuare a valutare il potenziale delle batterie quantistiche non reciproche, ottimizzandone al tempo stesso la progettazione e integrando le batterie in sistemi quantistici più grandi.
“Il nostro obiettivo ora è studiare l’interazione tra la non reciprocità e altre risorse quantistiche, come l’entanglement e la catalisi quantistica, per aumentare ulteriormente le capacità di stoccaggio dell’energia“, ha aggiunto Barzanjeh.
“Inoltre, prevediamo di implementare sperimentalmente i nostri modelli teorici in circuiti quantistici pratici, convalidando le nostre scoperte e perfezionando la tecnologia per applicazioni nel mondo reale. Questo include l’esplorazione delle proprietà chirali e topologiche dei sistemi caratterizzati da accoppiamento con perdite, che potrebbe portare a nuove scoperte nella elaborazione dell’informazione quantistica e stoccaggio dell’energia”.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
