Cientistas do Centro de Computação Quântica RIKEN e da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong conduziram um estudo teórico demonstrando como projetar com eficácia “baterias quânticas topológicas”. Este conceito inovador explora as propriedades topológicas dos guias de onda fotônicos e o comportamento quântico dos átomos de dois níveis para armazenar e transmitir energia. Suas descobertas foram publicadas em Cartas de revisão físicaapontando para aplicações potenciais em armazenamento de energia em nanoescala, comunicações quânticas ópticas e sistemas de computação quântica distribuída.
A promessa das baterias quânticas
À medida que a sustentabilidade ambiental se torna uma questão cada vez mais premente em todo o mundo, os investigadores procuram novas formas de armazenar energia da próxima geração. As baterias quânticas são pequenos dispositivos teóricos que usam fenômenos quânticos como superposição, emaranhamento e coerência para armazenar energia, em vez de reações químicas tradicionais, e podem redefinir como a eletricidade é armazenada e transmitida. Em princípio, estas baterias oferecem diversas vantagens em relação às baterias convencionais, incluindo carregamento mais rápido, maior capacidade e maior eficiência de extração de energia.
Superando os desafios dos sistemas de energia quântica
Apesar de anos de propostas, as aplicações práticas para baterias quânticas permanecem ilusórias. Em condições do mundo real, estes sistemas são particularmente suscetíveis à perda de energia e à decoerência, um processo no qual os sistemas quânticos perdem propriedades fundamentais, como emaranhamento e superposição, levando à degradação do desempenho. Em sistemas fotônicos que usam guias de ondas comuns (não topológicos) (canais que guiam os fótons, mas são sensíveis a curvaturas ou defeitos), a eficiência energética cai drasticamente à medida que os fótons se espalham dentro do guia de ondas. Desafios adicionais, como ruído ambiental, dissipação e desordem estrutural, enfraquecem ainda mais a estabilidade e a eficiência do armazenamento.
Aproveitando topologias para melhorar o desempenho da bateria
Para abordar estas questões em curso, as equipas de investigação internacionais utilizam modelos analíticos e numéricos dentro de um quadro teórico. Ao explorar propriedades topológicas – propriedades do material que permanecem inalteradas mesmo se a estrutura for torcida ou dobrada – eles mostraram que a transferência de energia a longa distância e a resistência à dissipação podem ser alcançadas em baterias quânticas. Inesperadamente, os pesquisadores também descobriram que a dissipação, que normalmente prejudica o desempenho, pode aumentar temporariamente a potência de carregamento sob certas condições.
Descobertas inovadoras e impacto futuro
A pesquisa revela alguns resultados promissores que aproximam as baterias quânticas topológicas das aplicações práticas. A equipe demonstrou que as propriedades topológicas dos guias de ondas fotônicos permitem uma transferência de energia quase perfeita. Quando a fonte de carga e a bateria ocupam o mesmo local, o sistema obtém imunidade dissipativa limitada a uma única sub-rede. Eles também descobriram que quando a dissipação excede um nível crítico, a potência de carregamento sofre um aumento breve, mas significativo, derrubando a antiga suposição de que a perda de energia é sempre prejudicial.
Rumo a baterias quânticas do mundo real
Lu Zhiguang, o primeiro autor do estudo, disse: “Nossa pesquisa fornece novos insights de uma perspectiva topológica e fornece pistas para que possamos realizar dispositivos de armazenamento de microenergia de alto desempenho. Ao superar as limitações práticas de desempenho das baterias quânticas causadas pela transmissão e dissipação de energia de longa distância, esperamos acelerar a transformação das baterias quânticas da teoria para aplicações práticas.”
“Olhando para o futuro”, disse Cheng Shang, autor correspondente da equipe de pesquisa internacional, “continuaremos a trabalhar duro para preencher a lacuna entre a pesquisa teórica e a implantação prática de dispositivos quânticos, inaugurando a era quântica que há muito esperamos”.
