Kvanttiakkujen korkea teho ja vakaan energiantuotannon tasapaino

Uusi tutkimus tunnistaa kvanttiakkujen luotettavuuden perustavanlaatuisia rajoituksia ja osoittaa, kuinka latausstrategiat voivat tasapainottaa suuren tehon vakaan energian ja tehonjakelun kanssa.

Kvanttiepävarmuus asettaa kvanttiakuissa perustavanlaatuisen kompromissin, joka rajoittaa niiden kykyä tuottaa sekä vakaata että luotettavaa energiaa samanaikaisesti.

Toisin kuin arkielämässä käytetyt perinteiset kemialliset paristot, ne käyttävät kvanttijärjestelmiä energian varastointiin ja siirtämiseen. Niitä tutkitaan mahdollisina tulevaisuuden energialähteinä kvanttiprosessoreille ja muille kvanttiteknologioille. Aiempi tutkimus on keskittynyt pääasiassa siihen, kuinka nopeasti ja tehokkaasti kvanttiakkuja voidaan ladata.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat määrittävät perustavanlaatuisia rajoituksia sekä kvanttiakun toimittaman energian että sen toimitusnopeuden vaihteluille.

"Kvanttiakun tulisi ihanteellisessa tapauksessa olla paitsi nopea ja tehokas, myös ladata tai toimittaa energiaa luotettavasti ja vakaasti samanaikaisesti. Työmme osoittaa, että kvanttimekaniikka asettaa perustavanlaatuisia rajoituksia kvanttiakkujen luotettavuudelle", sanoo Brij Mohan , Oulun yliopiston postdoc-tutkija ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja.

Tutkijat osoittavat, että tunnettu kvanttimekaaninen epävarmuussuhde estää toimitetun energian ja tehon vaihteluiden pienenemisen samanaikaisesti mielivaltaisen pieniksi, mikä tarkoittaa, että luotettavaa energian toimitusta ja vakaata tehoa ei voida saavuttaa samanaikaisesti.

Tässä yhteydessä luotettavuus ja stabiilius tarkoittavat näiden vaihteluiden pitämistä pieninä verrattuna niiden keskiarvoihin. Tämä perustavanlaatuinen kompromissi syntyy, koska työ ja teho edustavat suljetuissa kvanttiakuissa ei-kommutoituvia operaattoreita, aivan kuten paikka ja liikemäärä kvanttimekaniikassa.

Tutkijaryhmä tutki seuraavaksi, miten tämä kompromissi riippuu siitä, miten useita kvanttiakkukennoja ladataan. Rinnakkaislatauksessa kennot toimivat itsenäisesti. Kollektiivisessa latauksessa kaikki kennot osallistuvat yhdessä. Hybridilataus sijaitsee näiden kahden ääripään välissä, ja kennoryhmät ovat vuorovaikutuksessa latauksen aikana.

Tulokset osoittavat, että voimakkaampi kollektiivinen lataus lisää tehoa, mutta lisää myös tehovaihteluita, mikä heikentää tehon luotettavuutta. Tämä osoittaa, että pelkkä maksimaalinen teho ei riitä kvanttiakun suorituskyvyn arvioimiseen.

"Tuloksemme osoittavat, että on olemassa mielekäs tapa tasapainottaa tehon lisäämistä ja työn ja tehon luotettavuutta. Keskitason vuorovaikutuksiin perustuva latausjärjestelmä voi tarjota hyödyllisen kompromissin suuren tehon ja vakaan toiminnan välillä", sanoo Tanmoy Pandit , VTT, Espoo, Suomi.

Tutkijat tarkastelivat myös kvanttiakkuja, joissa on poikittaisia Isingin kaltaisia monikappalevuorovaikutuksia, ja havaitsivat saman kvalitatiivisen tehon ja luotettavuuden välisen kompromissin, mikä osoittaa, että vaikutus ei rajoitu yksinkertaisimpaan teoreettiseen malliin. ”Luotettavuusrajat yhdistävät kvanttifluktuaatiot monikappalekvanttifysiikkaan suoralla tavalla. Ne tarjoavat hyödyllisiä latausstrategioita, jotka ovat käytännössä edullisia”, sanoo Manabendra Nath Bera, IISER Mohali, Intia.

”Kvanttiakut tarjoavat kiehtovan linkin kvantti-informaation, termodynamiikan ja monikappalefysiikan välillä. Niiden fluktuaatioiden ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta näistä järjestelmistä tulisi lopulta hyödyllisiä teknologisia resursseja”, sanoo Maciej Lewenstein , ICFO, Espanja.

Tutkijoiden tavoitteena on seuraavaksi tutkia luotettavuusrajoja realistisemmissa olosuhteissa, mukaan lukien kohina, dissipaatio, avoimen järjestelmän dynamiikka ja kokeellisesti relevantit kvanttialustat.

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat kehittivät ja testasivat ensimmäisen kvanttiakun

Kvanttiakut tehostamaan kvanttitietotekniikkaa