Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université de Lanzhou et de l'Université du Hubei propose un système de charge de batterie quantique (QB) basé sur un guide d'ondes rectangulaire en métal creux. Cette approche leur permet de surmonter la décohérence induite par l’environnement et les limitations de distance de chargement. Les résultats sont publiés dans Physical Review Letters. .
La demande et l’offre de batteries continuent de croître en mettant l’accent sur l’amélioration du stockage d’énergie, de la longévité et des capacités de charge. Dans ce domaine, les scientifiques développent actuellement des batteries quantiques qui exploitent les principes de la mécanique quantique pour stocker et fournir de l'énergie.
L'objectif est d'utiliser les principes fondamentaux de la mécanique quantique tels que l'intrication et la cohérence pour surmonter les contraintes de la physique classique, obtenant ainsi une puissance de charge plus forte, une capacité de charge plus élevée et une extraction de travail plus importante par rapport aux homologues classiques.
La nouvelle étude explore le QB en plaçant la batterie et le chargeur dans un guide d'ondes creux rectangulaire. Cette méthode vise à atténuer les effets de décohérence pour obtenir des performances QB durables et efficaces.
Parlant de la motivation de l'équipe à explorer les batteries quantiques, l'auteur principal de l'étude, le professeur Jun-Hong An de l'Université de Lanzhou, en Chine, a déclaré à Phys.org :« Les défis de décohérence provoquent la perte d'énergie spontanée du QB, appelée vieillissement. de QB."
"L'autre défi pour les performances pratiques du QB est sa faible efficacité de charge résultant de la fragilité des interactions cohérentes entre le QB et son chargeur. Nous voulions surmonter ces défis."
Le modèle QB est basé sur deux systèmes à deux niveaux (TLS), qui sont des systèmes ayant deux niveaux d'énergie distincts. Ces niveaux d'énergie sont généralement représentés comme un état fondamental et un état excité.
Un système est la batterie elle-même et l’autre est le chargeur. Les processus de charge et d’échange d’énergie entre ces TLS jouent un rôle clé dans le fonctionnement du système QB. Les TLS sont facturés en établissant un couplage cohérent avec d'autres TLS ou des champs externes.
Dans le contexte des QB, le couplage cohérent est une interaction synchronisée et corrélée entre ces systèmes quantiques, permettant le transfert ou l'échange d'énergie. Ces interactions cohérentes sont fragiles et introduisent une décohérence dans ces systèmes.
"Tout système quantique ne peut être absolument isolé de son environnement extérieur, ce qui induit inévitablement une décohérence indésirable du système", a expliqué le professeur Jun-Hong.
Ces modèles réalisent la recharge via une interaction directe chargeur-QB. Cependant, cette relation est affectée par la distance entre les deux, ce qui entraîne une baisse de l'efficacité de la recharge. Pour surmonter ce problème ainsi que le problème de décohérence, les chercheurs ont introduit des guides d'ondes creux rectangulaires.
Un guide d’ondes est une structure qui guide les ondes, généralement électromagnétiques, le long d’un chemin spécifique. Il agit comme un conduit pour les vagues, les confinant et les dirigeant vers un déplacement contrôlé.
"Le guide d'ondes métallique creux rectangulaire est utilisé pour collecter et guider le champ électromagnétique afin d'assurer le transfert d'énergie entre le QB et le chargeur", a déclaré le professeur Jun-Hong.
Le transfert d'énergie lui-même se produit sans contact direct entre les deux TLS, introduisant une nouvelle approche du processus de charge QB.
Le modèle des chercheurs repose sur l'interaction quantifiée entre le champ électromagnétique et la matière au sein d'un guide d'ondes.
Dans les limites du guide d'ondes, le champ électromagnétique possède des relations de dispersion et des structures de bande interdite spécifiques, qui sont des paramètres influençant sa propagation et ses interactions au sein du système quantique.
Initialement, ce champ électromagnétique est dans un état de vide, ce qui signifie qu’il n’y a pas de photons dans ses modes. Pendant ce temps, le QB est dans son état fondamental et le chargeur est dans un état excité.
Le chargeur subit une transition d'un état excité à l'état fondamental, émettant un photon dans le champ électromagnétique. Cela introduit une excitation dans le champ électromagnétique conduisant à un champ ayant des modes infinis (ou des configurations possibles).
Le photon est ensuite absorbé par le QB qui passe à un état excité.
Bien que le fait d'avoir des modes infinis dans le champ électromagnétique induise généralement une décohérence dans le système quantique, l'aspect surprenant est que les chercheurs ont découvert que ce champ à modes infinis agit comme un environnement et, contrairement aux attentes, facilite un échange d'énergie cohérent entre chargeur QB.
"Notre travail révèle un mécanisme permettant de réaliser un échange d'énergie cohérent entre chargeur QB et grâce au rôle de médiation du champ électromagnétique en mode infini", a expliqué le professeur Jun-Hong.
La découverte inattendue selon laquelle la décohérence du système n’entraîne pas le vieillissement du QB contredit la croyance populaire. Au lieu de cela, les chercheurs notent que l'échange d'énergie est un processus de charge optimal, généralement attendu dans les scénarios où le chargeur et le QB interagissent directement.
De plus, leur schéma QB a montré une longue portée pour la recharge sans fil, la formation de deux états liés dans le spectre énergétique de l'ensemble des systèmes (QB-chargeur-environnement) jouant un rôle crucial.
"Un message à retenir de notre travail est que les interconnexions quantiques favorisées par le guide d'ondes nous fournissent un moyen utile de surmonter les défis liés à la réalisation pratique du QB", a ajouté le professeur Jun-Hong.
Cela améliore l'efficacité du QB et ouvre la porte à la possibilité de dispositifs plus légers et plus fins avec une plus grande facilité, qui se distingue également par sa durabilité.
Le professeur Jun-Hong a également souligné que leur appareil était totalement sûr et inoffensif car le champ électromagnétique est toujours confiné dans le guide d'ondes et le stockage d'énergie du QB, exempt de réactions électrochimiques, favorise une réutilisation infinie sans pollution de l'environnement.
La prochaine étape pour les chercheurs consiste à faire évoluer leur système QB.
"Plus précisément, nous prévoyons de développer un modèle QB à plusieurs corps fonctionnant sous la forme d'une recharge sans fil à distance. Cela pourrait nous permettre d'intégrer efficacement la supériorité de l'intrication quantique dans l'amélioration de la puissance de charge, de la capacité de charge et du travail extractible d'un objet. chargement à distance et QB anti-âge", a conclu le professeur Jun-Hong.
Plus d'informations : Wan-Lu Song et al, Chargement à distance et suppression de la dégradation de la batterie Quantum, Physical Review Letters (2024). DOI :10.1103/PhysRevLett.132.090401. Sur arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.13784
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique , arXiv
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