Новая схема уменьшает саморазряд в квантовых батареях

Схематическое изображение квантовой батареи. Электронный спин азотно-вакансионного центра алмаза выступает в роли батареи. Его взаимодействие с окружающей спиновой ванной ядер 13C приводит к саморазряду. Гипертонкие взаимодействия между электронами и 14N могут уменьшить саморазряд, а также максимизировать когерентную извлекаемую работу батареи. Автор: Цзюнь-Хун Ань.

Квантовые батареи (QB) — это устройства хранения энергии, которые могут стать альтернативой классическим батареям, потенциально заряжаясь быстрее и позволяя извлекать больше энергии. В отличие от существующих батарей, они используют квантовые эффекты, такие как запутанность и суперпозиция.

Несмотря на перспективность, QB пока не достигли оптимальной производительности, отчасти из-за склонности к декогеренции — потере когерентности (способности квантовых систем существовать в суперпозиции состояний), вызванной взаимодействием с окружающей средой.

Декогеренция приводит к саморазряду QB, то есть к спонтанному высвобождению накопленной энергии. Этот процесс пока препятствует практическому применению таких батарей.

Исследователи из Хубэйского университета, Инновационной академии точных измерений Китайской академии наук и Ланьчжоуского университета предложили новую схему, которая может уменьшить саморазряд в квантовых батареях. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters, описывает конструкцию QB, где дефект алмаза (азотно-вакансионный центр) служит носителем энергии.

«Идет квантовая революция, использующая квантовые ресурсы для преодоления ограничений классической физики», — сказал Цзюнь-Хун Ань, соавтор исследования.

Предыдущие теоретические работы показывали, что QB могут превосходить классические аналоги по скорости зарядки, емкости и извлекаемой работе благодаря квантовым эффектам и атомарным методам производства.

«Практическое применение QB сталкивается с двумя проблемами: снижением эффективности зарядки из-за декогеренции и саморазрядом во время хранения», — пояснил Ань.

Схема QB. Электронный спин азотно-вакансионного центра алмаза действует как батарея. Взаимодействие с ядрами 13C вызывает саморазряд, а гипертонкие взаимодействия с 14N уменьшают его. Автор: Вань-Лу Сун.

В более ранней работе 2024 года ученые улучшили эффективность зарядки QB с помощью беспроводного протокола. Теперь они сосредоточились на подавлении саморазряда.

«Наша QB на основе азотно-вакансионного центра алмаза подавляет саморазряд без внешнего зарядного устройства», — отметил Ань.

Исследователи обнаружили, что когерентная энергия в их батарее теряется медленнее, чем некогерентная. Это позволило им увеличить соотношение когерентной энергии к общей, что снижает саморазряд.

«Гипертонкое взаимодействие с ядром 14N уникально для нашей схемы и позволяет максимизировать извлекаемую работу», — добавил Ань.

Первые тесты показали, что новая QB менее подвержена саморазряду. Кроме того, работа предлагает экспериментальную платформу для изучения открытых квантовых систем.

В будущем команда планирует создать масштабируемую модель QB, устойчивую к саморазряду и использующую квантовую запутанность для улучшения характеристик.

Подробнее: Wan-Lu Song et al, Self-Discharging Mitigated Quantum Battery, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/d9k1-75d4.