Международная группа физиков обнаружила фундаментальное ограничение, которое придется учитывать при разработке квантовых батарей. Оказалось, что увеличение мощности таких устройств неизбежно сопровождается усилением колебаний при передаче энергии — то есть батарея становится менее стабильной.
Квантовые батареи пока существуют преимущественно в виде экспериментальных систем, способных хранить энергию лишь наносекунды или микросекунды. В отличие от обычных аккумуляторов, они используют эффекты квантовой механики и потенциально позволяют коллективно заряжать множество ячеек. Теоретически это дает возможность увеличивать скорость зарядки вместе с размером устройства.
До сих пор исследователей особенно интересовало, насколько быстро можно заряжать квантовые батареи и какой максимальной мощности они способны достичь. Новая работа показала, что не менее важным параметром должна стать стабильность отдачи энергии.
Причина скрывается в самой квантовой механике. Работа и мощность в квантовой батарее описываются некоммутирующими операторами, поэтому соответствующие им колебания нельзя одновременно сделать сколь угодно малыми. В результате возникает своеобразный компромисс: повышение мощности сопровождается снижением предсказуемости передачи энергии.
Особенно хорошо эффект проявляется при коллективной зарядке, когда множество квантовых ячеек взаимодействуют как единая система. Такой подход позволяет заметно повысить мощность, но одновременно усиливает ее колебания.
Исследователи, однако, нашли возможный компромисс. Вместо полностью независимой или полностью коллективной зарядки можно объединять квантовые ячейки в отдельные взаимодействующие группы. Такая гибридная схема позволяет получить прирост мощности, сохраняя более стабильную передачу энергии.
Практических квантовых батарей это открытие пока не обещает. Следующим этапом станет проверка выявленных ограничений в более реалистичных условиях с учетом шума, потерь энергии и особенностей экспериментальных квантовых систем. Однако результаты дают физикам более четкое представление о том, какими придется проектировать квантовые батареи, если технология однажды выйдет за пределы лабораторий.
