Científicos del Centro RIKEN de Computación Cuántica y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong han realizado un estudio teórico que muestra cómo se puede diseñar de manera eficiente una “batería cuántica topológica”. Este concepto innovador utiliza las propiedades topológicas de las guías de ondas fotónicas y el comportamiento cuántico de átomos de dos niveles para almacenar y transferir energía. Sus hallazgos, publicados carta de revisión físicaapuntan a aplicaciones potenciales en el almacenamiento de energía a nanoescala, la comunicación cuántica óptica y los sistemas de computación cuántica distribuida.
La promesa de las baterías cuánticas
A medida que la sostenibilidad ambiental se convierte en una preocupación global cada vez más urgente, los investigadores están explorando nuevos enfoques para el almacenamiento de energía de próxima generación. Las baterías cuánticas (dispositivos teóricos en miniatura que almacenan energía mediante fenómenos cuánticos como superposición, entrelazamiento y coherencia en lugar de reacciones químicas tradicionales) podrían redefinir cómo se almacena y transfiere la energía. En principio, estas baterías pueden ofrecer varias ventajas sobre las baterías convencionales, incluida una carga más rápida, mayor capacidad y una mayor eficiencia en la extracción de energía.
Superar los desafíos de los sistemas de energía cuántica
A pesar de años de propuestas, la implementación práctica de baterías cuánticas sigue estando fuera de alcance. En situaciones del mundo real, estos sistemas son particularmente vulnerables a la pérdida de energía y la decoherencia, un proceso en el que los sistemas cuánticos pierden propiedades esenciales como el entrelazamiento y la superposición, lo que conduce a una degradación del rendimiento. En los sistemas fotónicos que utilizan guías de ondas simples (no topológicas) (canales que guían fotones pero son sensibles a curvaturas o imperfecciones), la eficiencia energética cae rápidamente a medida que los fotones se propagan dentro de la guía. Desafíos adicionales como el ruido ambiental, el desperdicio y el desorden estructural erosionan aún más la estabilidad y la eficiencia del almacenamiento.
Uso de topología para mejorar el rendimiento de la batería
Para abordar estos problemas persistentes, el equipo de investigación internacional utilizó modelos analíticos y numéricos dentro de un marco teórico. Aprovechando las propiedades topológicas (propiedades del material que permanecen sin cambios incluso cuando la estructura está torcida o doblada) demostraron que es posible lograr tanto transferencia de energía a larga distancia como inmunidad en baterías cuánticas. En un giro inesperado, los investigadores también descubrieron que la disipación, que normalmente perjudica el rendimiento, puede aumentar temporalmente la potencia de carga bajo ciertas condiciones.
Hallazgos innovadores e implicaciones futuras
La investigación reveló varios resultados prometedores que acercan las baterías cuánticas topológicas al uso práctico. El equipo demostró que la naturaleza topológica de la guía de ondas fotónica permite una transferencia de energía casi perfecta. Cuando la fuente de carga y la batería ocupan el mismo sitio, el sistema gana una resistencia de disipación confinada a una única subred. También descubrieron que cuando la disipación excede un nivel crítico, la potencia de carga experimenta un aumento breve pero significativo, derribando la noción arraigada de que la pérdida de energía siempre es dañina.
Hacia baterías cuánticas del mundo real
“Nuestra investigación proporciona nuevos conocimientos desde una perspectiva topológica y nos orienta hacia la realización de dispositivos de almacenamiento de microenergía de alto rendimiento. Superando las limitaciones prácticas de rendimiento de las baterías cuánticas causadas por la transmisión y utilización de energía a larga distancia, esperamos acelerar la transición de la teoría de la aplicación de la batería a la aplicación de la batería”, el primer autor del estudio.
“De cara al futuro, continuaremos trabajando para cerrar la brecha entre los estudios teóricos y el despliegue práctico de dispositivos cuánticos, marcando el comienzo de la era cuántica que hemos imaginado durante mucho tiempo”, dijo el autor correspondiente, Cheng Shang, del equipo de investigación internacional.
