Causaliteit is de sleutel tot onze ervaring van de werkelijkheid: het breken van een glas zorgt er bijvoorbeeld voor dat het versplintert, dus het kan niet versplinterd zijn voordat het barstte. Maar in de kwantumwereld zijn deze regels niet noodzakelijkerwijs van toepassing, en wetenschappers hebben nu aangetoond hoe ze deze vreemdheid kunnen exploiteren om een kwantumbatterij op te laden.
In zekere zin worden kwantumbatterijen aangedreven door een paradox. Op papier werken ze door energie op te slaan in kwantumtoestanden van atomen en moleculen – en zodra het woord 'kwantum' wordt genoemd, weet je natuurlijk dat er iets vreemds gaat gebeuren. In dit geval blijkt uit een nieuwe studie dat kwantumbatterijen kunnen werken door inbreuk te maken op wat we weten over oorzaak en gevolg.
Chen Yuanbo, auteur van de studie, zei: "De huidige batterijen die worden gebruikt in apparaten met een laag vermogen, zoals smartphones of sensoren, gebruiken doorgaans chemicaliën zoals lithium om lading op te slaan, terwijl kwantumbatterijen microscopisch kleine deeltjes gebruiken, zoals reeksen atomen. Chemische batterijen worden beheerst door de wetten van de klassieke natuurkunde, terwijl microscopische deeltjes kwantum van aard zijn, dus we hebben de mogelijkheid om manieren te onderzoeken om ze te gebruiken om onze intuïtieve concepten van wat er op kleine schaal gebeurt, te buigen of zelfs te breken. Ik ben vooral geïnteresseerd in hoe kwantumdeeltjes een van onze meest fundamentele fundamentele problemen schenden. ervaringen: tijd."
In de klassieke natuurkunde, het soort natuurkunde dat we in de grootschalige wereld ervaren, zijn oorzaak en gevolg duidelijk lineair. Terugkomend op de vorige analogie: het laten vallen van een glas (gebeurtenis A) zorgt ervoor dat het glas versplintert (gebeurtenis B), maar je kunt de relatie tussen de twee gebeurtenissen niet omkeren. Het glas viel niet omdat het kapot was. Maar in het spookachtige domein van de kwantumfysica is deze beperking niet van toepassing. Het integreren van deze paradox in kwantumbatterijen zou hun efficiëntie kunnen helpen vergroten.
In de nieuwe studie voerden wetenschappers van de Universiteit van Tokio een laboratoriumexperiment uit met lasers, lenzen en spiegels als een grote kwantumbatterij. Voor het opladen van deze batterijen zijn doorgaans meerdere oplaadfasen nodig, die de een na de ander werken, maar hier profiteerde het onderzoeksteam van een kwantumeffect dat onbepaalde causale orde (ICO) wordt genoemd. Kortom, zodra ze het systeem in kwantumsuperpositie hadden gebracht, kon de causale orde in beide richtingen tegelijk bestaan, waardoor meerdere oplaadstappen tegelijkertijd konden werken in plaats van opeenvolgend.
"Met ICO hebben we aangetoond dat de manier waarop een batterij bestaande uit kwantumdeeltjes wordt opgeladen, de prestaties ervan enorm kan beïnvloeden", aldus Chen. "We vonden enorme verbeteringen in zowel de energie die in het systeem is opgeslagen als de thermische efficiëntie. En enigszins contra-intuïtief vonden we een verrassend effect van een interactie die het tegenovergestelde was van wat werd verwacht: een oplader met laag vermogen zou meer energie kunnen leveren en tegelijkertijd efficiënter zijn dan een oplader met hoog vermogen die hetzelfde apparaat gebruikt."
Het is voor de meeste mensen misschien moeilijk te begrijpen, maar kwantumbatterijen kunnen op een dag werkelijkheid worden. Voorlopig bestaan ze alleen als laboratoriumexperimenten, maar wetenschappers testen langzaamaan verschillende aspecten ervan, met als uiteindelijk doel uit te vinden hoe de onderdelen tot een werkend geheel kunnen worden geïntegreerd.
Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.