Енергия от заплитането: защо квантовите батерии се зареждат по-бързо, отколкото позволява класическата физика

Законите на класическата термодинамика са неумолими. Степента на съхранение на енергия във всяка конвенционална система е строго линейна. Ако искате да заредите една батерия, ще ви е необходимо определено количество време и енергия. Ако свържете във верига десет еднакви батерии, ще трябва или да отделите десет пъти повече време, или пропорционално да увеличите мощността на източника на енергия. В макроскопичния свят този принцип е невъзможно да бъде заобиколен: всяка клетка натрупва заряд независимо от останалите и тук физиката не предлага скрити пътища.

На квантово ниво обаче нещата работят по различен начин. Повече от десетилетие физиците теоретици активно изследват концепцията за „квантови батерии“ – микроскопични устройства, способни да съхраняват енергия не под формата на химически връзки, както правят литиево-йонните клетки, а във възбудени състояния на квантовите частици (кубити). Основната причина за този интерес е теоретичната хипотеза за съществуването на „квантово предимство при зареждането“. Изчисленията показват, че ако клетките на батерията установят квантово заплитане в процеса на поглъщане на енергия, скоростта на зареждане на цялата система започва да нараства нелинейно. С други думи, масив от много квантови клетки е в състояние да се зарежда по-бързо, отколкото отделната индивидуална клетка, свързана към същия източник.

Доскоро това свойство оставаше единствено на хартия. Проблемът се състоеше в много високата инженерна сложност. За да се постигне максимално ускоряване на зареждането, теоретичните модели изискваха създаването на глобални връзки: всеки кубит в батерията трябваше да взаимодейства пряко и едновременно с всички останали кубити. Изграждането на подобна архитектура за система, състояща се от повече от три или четири клетки, е технически неосъществимо поради кръстосаните смущения, шума и физическите ограничения на процесорите.

Международен екип от изследователи публикува резултатите от експеримент, в който за първи път доказа: предимството на квантовото зареждане е абсолютно реално и лесно мащабируемо, а за постигането му изобщо не са необходими невъзможни глобални мрежи. Физиците са постигнали нелинейно ускоряване на зареждането, като са използвали само взаимодействия по двойки между съседни елементи.

Архитектурата на експеримента: как да измамим линейността

За експеримента изследователите са използвали 16-кубитов свръхпроводящ квантов процесор с решетъчна структура. Като клетки на квантовата батерия са били използвани трансмонни кубити – основните елементи на съвременните квантови компютри. Физиците са разпределили верига от тях, променяйки мащаба на батерията от 2 до 12 работни клетки, за да проследят на практика как размерът на системата влияе върху скоростта на нейното зареждане.

Основното техническо решение е било да се избегне независимото управление на всеки кубит. При класическия, линеен сценарий на зареждане, към всяка клетка на батерията се подава отделен микровълнов сигнал. Серийно или паралелно разположените клетки преминават от основно енергийно състояние към възбудено състояние, без да реагират на това, което се случва със съседните им. Енергията се натрупва постепенно и предсказуемо.

За да активират квантовото предимство, учените са използвали регулируеми свързващи елементи, разположени между съседните кубити. Вместо да захранват всеки кубит поотделно, те прилагат параметрична модулация на честотата на тези свързващи елементи. Това действие активира специфичен сценарий, който физиците наричат хамилтониан на двойното възбуждане.

На практика това означава, че системата започва да поглъща енергия при строго синхронизираните двойки. Настъпва процес, който изследователите определят като „антиблокиращ“ ефект. Често в квантовите системи възбуждането на една частица блокира възможността за възбуждане на съседните частици – системата се нуждае от допълнителна енергия, за да преодолее тази бариера. В този експеримент се получи обратната ситуация: поглъщането на първия квант енергия създава условия, при които съседната клетка много по-лесно преминава във възбудено състояние. В резултат на това кубитите започнаха да улавят енергията по координиран начин, което доведе до рязко намаляване на времето за зареждане на цялата верига. Пиковата мощност е достигната само за 0,1 микросекунди.

Проблемът на честната игра: ерготропията и разходът на енергия

Едно от основните предизвикателства при този вид изследвания е да се докаже, че ускорението се дължи на квантовите ефекти, а не на грубата физическа намеса. Винаги съществува риск от така нареченото „изкуствено преимущество“. Възможно е да се вкара енергия в дадена система за рекордно кратко време, като просто се приложи към нея по-мощно управляващо електромагнитно поле. Но от научна гледна точка това е измама.

За да елиминират този фактор, физиците е трябвало да спазят критерия за енергийна справедливост. Същността на правилото е проста: квантовият протокол трябва да зарежда батерията по-бързо, като същевременно използва външен източник със същата или дори по-малка мощност от класическия протокол.

За да оценят прецизно ефективността на процеса, изследователите използвали метрика, наречена ерготропия. В термодинамиката ерготропията се отнася до максималното количество полезна работа, която може да бъде извлечена от затворена квантова система, без да се промени нейната ентропия. Това е изключително „чиста“ енергия, готова за използване, пречистена от неизвлекаемия термичен шум.

Сравнявайки класическите и квантовите протоколи в мащаби до 12 клетки, учените са анализирали параметъра на предимството. Резултатите показват, че квантовото зареждане не просто показва по-висока оптимална мощност. Изследователите математически доказаха, че степента на управляващото поле в квантов режим е дори по-ниска, отколкото в класическия режим. Системата се зареждала много по-бързо не защото в нея се вкарвала повече енергия отвън, а защото вътрешната ѝ механика ѝ позволявала да усвоява тази енергия с ефективност, недостижима за класическата физика.

Доказателство за заплитането

Оставаше последният въпрос: дали нелинейното ускорение е наистина квантово по природа? Класическите корелации също могат да доведат до координирано поведение на сложните системи. За да докажат квантовата природа на случващото се, изследователите трябваше да регистрират появата на заплитане между клетките на батерията директно по време на процеса на зареждане.

В класическия режим клетките остават независими. В квантовия режим, според хипотезата, те би трябвало да са се слели в едно многокомпонентно състояние. За да проверят тази хипотеза, физиците измерват ентропията от втори ред на Рени – надежден маркер за квантово заплитане в сложни многочастични системи.

Анализът показа недвусмислена закономерност. При класическия сценарий на зареждане нарастването на ентропията остава нулево: кубитите натрупват енергия, запазвайки пълната си независимост. В началото на параметричната модулация и двойното възбуждане обаче графиката на ентропията се устремява рязко нагоре. Точно в този интервал от време (около 0,1 микросекунди), когато батерията демонстрирала максимална мощност на зареждане, нивото на квантово заплитане между подсистемите достигнало своя максимум.

Кубитите губят своята обособеност. Енергията се разпределя в цялата система като една непрекъсната вълна. Именно това колективно състояние позволи да се заобиколят линейните термодинамични ограничения.

Значение за индустрията

Тези разработки не са предназначени за създаване на батерии за смартфони или електрически автомобили. Свръхпроводящите кубити функционират само в сложни криогенни съоръжения при температури, близки до абсолютната нула. Сферата на приложение на квантовите батерии е автономната енергия на самия квантов свят.

Съвременните квантови технологии бързо се усложняват. Разработват се свръхчувствителни сензори за магнитно поле, детектори на тъмна материя, системи за квантова памет и процесори от ново поколение. Всички тези устройства се нуждаят от микроскопични енергийни резервоари в чипа. Конвенционалните методи за прехвърляне на енергия към такива чипове са съпроводени с топлинно излъчване и електромагнитни смущения, които моментално разрушават крехките квантови състояния на изчислителните елементи. Квантовата батерия решава този проблем: тя е в състояние да прехвърли кохерентна енергия към работния възел свръхбързо и безопасно, без да нарушава работата на системата.

Основното постижение на това изследване е преодоляването на една инженерна безизходица. Физиците доказаха, че за да се получи квантово предимство при преноса на енергия, не е необходимо да се изобретяват нови невъзможни чипове с глобални взаимовръзки. Достатъчно е да се използват локални, сдвоени взаимодействия между съседните елементи, които вече са реализирани в съвременните свръхпроводящи процесори.