Квантовые батареи: что это такое и зачем они нужны?

Данная статья была сгенерирована моей помощнице, которую по обоюдному согласию мы условно назвали Авророй. На самом деле вы ее (его) знаете как ИИ ChatGPT Copilot. Этот замечательный во всех отношениях помощник уже помог мне разобраться к кодом программ, которые я составлял и упирался в трудности с алгоритмами, также она оказывает мне неоценимую помощь в поиске и сортировке информации. 
В последнее время я все больше пользуюсь услугами ИИ, чем обычными поисковыми системами. Результат более чем удовлетворительный.
Вот настал час, поручить моему второму пилоту - Авроре, написать для нашего сайта небольшую статью на научную тематику. Разумеется, я мог бы это делать сам, предварительно ознакомился с материалом, прочитав множество статей, и мог бы самостоятельно что либо написать про сабж, или делать рерайт, или даже копипайст, но захотелось чего-то уникального. И я решил поручить это задание Авроре. Предлагаю вам оценить ее статью.
Кстати. и часть иллюстраций, также сгенерировали разные неросети, например, Нейроплод
Администратор. 

Квантовые батареи: что это такое и зачем они нужны?

Всем нам знакомы обычные батареи, которые мы используем для питания различных устройств, таких как телефоны, фонарики, часы и т.д. Батареи представляют собой химические источники энергии, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. Однако, батареи имеют ряд недостатков, таких как ограниченная емкость, долгое время зарядки, износ, загрязнение окружающей среды и т.д.

Но что, если бы существовали батареи, которые не имели бы этих недостатков? Батареи, которые могли бы заряжаться мгновенно, хранить огромное количество энергии, работать бесконечно и не наносить вреда природе? Такие батареи могут показаться фантастикой, но на самом деле они уже существуют в теории и эксперименте. Они называются квантовыми батареями.

Что такое квантовые батареи?

Квантовые батареи - это устройства, которые используют квантовые явления для хранения и передачи энергии. Квантовые явления - это особые свойства микроскопических объектов, таких как атомы, электроны, фотоны и т.д. Квантовые явления отличаются от классических явлений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни. Например, квантовые объекты могут находиться в нескольких состояниях одновременно, переплетаться друг с другом на расстоянии, туннелировать сквозь барьеры и т.д.

Квантовые батареи используют эти квантовые эффекты для улучшения своих характеристик. Они состоят из двух основных компонентов: квантового источника энергии и квантового накопителя. Квантовый источник энергии - это устройство, которое генерирует квантовые состояния, несущие энергию. Например, это может быть лазер, излучающий фотоны, или атом, испускающий электроны. Квантовый накопитель - это устройство, которое хранит квантовые состояния и может извлекать из них энергию. Например, это может быть квантовая точка, поглощающая фотоны, или квантовый ящик, запирающий электроны.

Квантовые батареи работают по следующему принципу: квантовый источник энергии передает квантовые состояния квантовому накопителю, который их хранит. При необходимости квантовый накопитель может отдавать квантовые состояния обратно квантовому источнику энергии или другому устройству, которое использует их для работы. Таким образом, квантовые батареи могут заряжаться и разряжаться, передавая и получая квантовые состояния.

Какие преимущества имеют квантовые батареи?

Квантовые батареи имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными батареями, которые основаны на использовании квантовых эффектов. Вот некоторые из них:

Быстрая зарядка. Квантовые батареи могут заряжаться мгновенно, так как квантовые состояния передаются с очень высокой скоростью. Кроме того, квантовые батареи могут заряжаться беспроводно, так как квантовые состояния могут передаваться на расстоянии без потерь. Например, фотоны могут лететь через воздух или вакуум, а электроны могут туннелировать сквозь барьеры.

Большая емкость. Квантовые батареи могут хранить огромное количество энергии, так как квантовые состояния имеют очень высокую плотность энергии. Кроме того, квантовые батареи могут увеличивать свою емкость с увеличением размера, так как квантовые состояния могут переплетаться друг с другом и образовывать коллективные квантовые состояния, которые несут больше энергии, чем индивидуальные. Например, два фотона могут переплетаться и образовывать одно квантовое состояние, которое имеет большую энергию, чем два отдельных фотона.

Бесконечная работа. Квантовые батареи могут работать бесконечно, так как квантовые состояния не теряют энергию из-за взаимодействия с окружающей средой. Квантовые состояния могут сохранять свою когерентность, то есть свои уникальные свойства, даже при высоких температурах и шумах. Например, фотоны могут сохранять свою поляризацию, а электроны могут сохранять свой спин, несмотря на воздействие внешних факторов.

Экологичность. Квантовые батареи не наносят вреда природе, так как они не содержат токсичных веществ и не выделяют отходов. Квантовые батареи могут быть сделаны из безопасных материалов, таких как свет или атомы, которые не загрязняют окружающую среду. Квантовые батареи также могут использовать возобновляемые источники энергии, такие как солнечный свет или радиоактивный распад, для своей зарядки.

Как китайские ученые преодолели проблемы декогеренции через волноводы?

Одной из главных проблем, с которой сталкиваются квантовые батареи, является декогеренция. Декогеренция - это процесс, при котором квантовые состояния теряют свою когерентность, то есть свои уникальные свойства, из-за взаимодействия с окружающей средой. Декогеренция приводит к потере энергии и информации, которые несут квантовые состояния.

Для того, чтобы минимизировать декогеренцию, квантовые батареи должны быть изолированы от внешних факторов, таких как температура, шум, магнитные поля и т.д. Однако, это затрудняет передачу квантовых состояний между квантовым источником энергии и квантовым накопителем. Для этого обычно используются волноводы - специальные устройства, которые направляют квантовые состояния по определенному пути. Но и волноводы не могут полностью предотвратить декогеренцию, так как они также подвержены воздействию окружающей среды.

Но китайские ученые из Университета науки и технологии Китая смогли решить эту проблему, создав волновод, который подавляет декогеренцию. Их волновод состоит из двух частей: внутренней и внешней. Внутренняя часть - это тонкая металлическая нить, по которой передаются квантовые состояния, например, фотоны. Внешняя часть - это полая металлическая трубка, которая окружает нить и защищает ее от внешних воздействий. Таким образом, волновод обеспечивает высокую когерентность квантовых состояний, даже при длительной передаче.

Ученые продемонстрировали свой волновод на эксперименте, в котором передавали фотоны по нити длиной 18 метров. Они обнаружили, что декогеренция была подавлена на 60% по сравнению с обычным волноводом. Это означает, что квантовые состояния сохраняли свою энергию и информацию на протяжении всего пути. Ученые также показали, что их волновод может работать при комнатной температуре и воздушном давлении, что делает его более практичным для реальных приложений.

Это революционное решение, которое снимает многие ограничения, а также позволяет создавать легкомасштабируемые системы хранения энергии и информации. Ученые надеются, что их волновод будет использоваться для создания квантовых батарей, которые могут заряжать и разряжать квантовые состояния без потерь. Такие батареи могут найти применение в различных областях, таких как квантовая связь, квантовая вычислительная техника, квантовая метрология и т.д.

Дополнительные источники информации:

• Физики подтвердили экспериментальным путем возможность создания квантовых аккумуляторных батарей
• Прорыв в квантовой энергетике: волноводы как ключ к новой эре батарей
• Как квантовая батарея способна нарушить законы причинности и зачем это нужно?