Быстрозаряжаемая квантовая батарея, встроенная в квантовый компьютер

Эксперимент со сверхпроводящими кубитами открывает путь к определению того, могут ли квантовые устройства быть менее энергозатратными, если они будут питаться от квантовых батарей.

В квантовый компьютер встроен квантовый аккумулятор — первый шаг к определению того, смогут ли такие аккумуляторы сыграть роль в обеспечении энергией будущих квантовых технологий.

Традиционные батареи накапливают энергию за счет электрохимических реакций, происходящих между их компонентами, но квантовые батареи основаны на квантовых битах, или кубитах, которые претерпевают изменения в своих квантовых состояниях. Некоторые исследования показали, что использование квантовых свойств таким образом может привести к более быстрой зарядке, но практическая применимость и полезность квантовых батарей остаются открытыми вопросами.

«Многие будущие квантовые технологии потребуют своих квантовых аналогов батарей», — говорит Диан Тан из Хэфэйской национальной лаборатории в Китае. «Хотя в разработке квантовых вычислений, связи и сенсорики достигнут значительный прогресс, механизмы хранения энергии в этих квантовых системах еще не полностью изучены».

Тан и его коллеги создали батарею, используя 12 кубитов, изготовленных из крошечных сверхпроводящих цепей, каждым из которых они могли управлять с помощью микроволн. Каждый кубит играл роль элемента батареи и взаимодействовал со своими ближайшими соседями.

Исследователи смогли контролировать эти взаимодействия, поэтому они экспериментировали с двумя различными протоколами зарядки. Один имитировал процесс зарядки обычных, или классических, батарей, поэтому он не использовал квантовые взаимодействия, а другой протокол использовал. Команда обнаружила, что использование квантовых взаимодействий между кубитами позволило батарее в среднем быстрее набирать большую мощность.

«Квантовая батарея достигает максимальной мощности, в два раза превышающей мощность классической зарядки», — говорит член команды Алан Сантос из Национального исследовательского совета Испании. Важно, по его словам, что это работает при взаимодействии каждого кубита только со своим ближайшим соседом, поскольку это стандарт для сверхпроводящих квантовых компьютеров, и создание большего количества таких выгодных взаимодействий было бы практически сложно.

Джеймс Куач из Австралийской организации научных и промышленных исследований (CSIRO) говорит, что до сих пор в экспериментах по зарядке квантовых батарей использовались, например, молекулы вместо компонентов существующих квантовых устройств. Куач и его коллеги ранее выдвинули теорию о том, что квантовые компьютеры, работающие на квантовых батареях, могут быть более эффективными и их будет легче увеличить в размерах, что сделает их более мощными. «Это была теоретическая идея, которую мы предложили совсем недавно, но новая работа действительно может стать основой для питания будущих квантовых компьютеров», — говорит он.

Однако, по словам Доминика Шафранека из Карлова университета в Чехии, проводить точные сравнения между обычными и квантовыми батареями сложно. По его мнению, в настоящее время нет очевидного способа преобразовать измеренные преимущества квантовых батарей в однозначно полезные устройства.

Каван Моди из Сингапурского университета технологий и дизайна говорит, что для кубитов, взаимодействующих только со своим ближайшим соседом, математические исследования его команды показали, что преимущества в зарядке могут быть лишь незначительными и легко нивелируются другими свойствами реальных квантовых компьютеров, такими как их шумность или медленное управление кубитами.

В то же время, квантовые компьютеры могут оказаться гораздо более энергозатратными, чем обычные компьютеры, поэтому изучение того, как энергия может перемещаться внутри них, может стать необходимостью, если мы хотим создать очень большие квантовые компьютеры, говорит Моди.

Тан говорит, что считает хранение энергии для квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры, идеальным вариантом применения квантовой батареи его команды. Теперь исследователи хотят объединить свою батарею с квантовым тепловым двигателем на основе кубитов, который будет производить энергию, которую затем можно будет хранить в батарее, и все это внутри квантового компьютера.

Журнал Physical Review Letters DOI: 10.1103/sp5l-c6m8

Источник: www.newscientist.com