14 de diciembre de 2023
Las baterías cuánticas aprovechan los fenómenos subatómicos para superar a las baterías químicas tradicionales en aplicaciones de baja potencia.
Investigadores de la Universidad de Tokio emplean un proceso cuántico único que desafía la causalidad convencional y mejora la eficiencia de la batería cuántica.
Las baterías cuánticas existen actualmente en etapas experimentales, y la investigación mundial se centra en aplicaciones prácticas para dispositivos portátiles y de bajo consumo.
El concepto de Orden Causal Indefinido (ICO) en baterías cuánticas permite una carga más eficiente, incluso con fuentes de menor energía.
Los principios de ICO pueden mejorar otros procesos termodinámicos, como mejorar la eficiencia de los paneles solares al mitigar los efectos del calor.
Cargando baterías cuánticas en orden causal indefinido. En el mundo clásico, si intentaras cargar una batería usando dos cargadores, tendrías que hacerlo en secuencia, limitando las opciones disponibles a solo dos órdenes posibles. Sin embargo, aprovechar el novedoso efecto cuántico llamado ICO abre la posibilidad de cargar baterías cuánticas de una manera claramente poco convencional. Aquí pueden existir simultáneamente múltiples cargadores dispuestos en diferentes órdenes, formando una superposición cuántica. (Imagen: 2023 Chen et al. CC-BY-ND)
El efecto de interacción inversa. La intuición común sugiere que un cargador más potente da como resultado una batería con una carga más fuerte. Sin embargo, el descubrimiento procedente del ICO introduce un cambio notable en esta relación; Ahora es posible cargar una batería de mayor energía con mucha menos energía. (Imagen: 2023 Chen et al. CC-BY-ND) “Con ICO, demostramos que la forma en que se carga una batería compuesta de partículas cuánticas podría afectar drásticamente su rendimiento”, dijo Chen. “Vimos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Y de manera algo contraria a la intuición, descubrimos el efecto sorprendente de una interacción que es inversa a lo que se podría esperar: un cargador de menor potencia podría proporcionar energías más altas con mayor eficiencia que un cargador de potencia comparablemente mayor que utiliza el mismo aparato”. El fenómeno de ICO que exploró el equipo podría encontrar usos más allá de cargar una nueva generación de dispositivos de bajo consumo. Los principios subyacentes, incluido el efecto de interacción inversa descubierto aquí, podrían mejorar el desempeño de otras tareas que involucran termodinámica o procesos que involucran la transferencia de calor. Un ejemplo prometedor son los paneles solares, donde los efectos del calor pueden reducir su eficiencia, pero el ICO podría usarse para mitigarlos y generar ganancias en eficiencia.
(Noticias de Nanowerk) Las baterías que aprovechan los fenómenos cuánticos para obtener, distribuir y almacenar energía prometen superar las capacidades y utilidad de las baterías químicas convencionales en ciertas aplicaciones de baja potencia. Por primera vez, investigadores, incluidos los de la Universidad de Tokio, aprovechan un proceso cuántico poco intuitivo que ignora la noción convencional de causalidad para mejorar el rendimiento de las llamadas baterías cuánticas, acercando un poco más esta tecnología del futuro a la realidad. Sus hallazgos han sido publicados en Physical Review Letters ("Carga de baterías cuánticas mediante un orden causal indefinido: teoría y experimento").
Puntos clave
Cargando baterías cuánticas en orden causal indefinido. En el mundo clásico, si intentaras cargar una batería usando dos cargadores, tendrías que hacerlo en secuencia, limitando las opciones disponibles a solo dos órdenes posibles. Sin embargo, aprovechar el novedoso efecto cuántico llamado ICO abre la posibilidad de cargar baterías cuánticas de una manera claramente poco convencional. Aquí pueden existir simultáneamente múltiples cargadores dispuestos en diferentes órdenes, formando una superposición cuántica. (Imagen: 2023 Chen et al. CC-BY-ND)
La investigación
Cuando escuchas la palabra "cuántica", la física que gobierna el mundo subatómico, los avances en las computadoras cuánticas tienden a acaparar los titulares, pero hay otras tecnologías cuánticas futuras a las que vale la pena prestarles atención. Uno de esos elementos es la batería cuántica que, aunque inicialmente tiene un nombre desconcertante, tiene un potencial inexplorado para soluciones energéticas sostenibles y una posible integración en futuros vehículos eléctricos. Sin embargo, estos nuevos dispositivos están preparados para encontrar uso en diversas aplicaciones portátiles y de bajo consumo, especialmente cuando las oportunidades de recargar son escasas. En la actualidad, las baterías cuánticas solo existen como experimentos de laboratorio, y investigadores de todo el mundo están trabajando en los diferentes aspectos que se espera que algún día se combinen en una aplicación práctica y plenamente funcional. El estudiante de posgrado Yuanbo Chen y el profesor asociado Yoshihiko Hasegawa del Departamento de Ingeniería de la Información y las Comunicaciones de la Universidad de Tokio están investigando la mejor manera de cargar una batería cuántica, y aquí es donde entra en juego el tiempo. Una de las ventajas de las baterías cuánticas es que deberían ser increíblemente eficientes, pero eso depende de la forma en que se cargan. "Las baterías actuales para dispositivos de baja potencia, como teléfonos inteligentes o sensores, normalmente utilizan productos químicos como el litio para almacenar carga, mientras que una batería cuántica utiliza partículas microscópicas como conjuntos de átomos", dijo Chen. “Si bien las baterías químicas se rigen por las leyes clásicas de la física, las partículas microscópicas son de naturaleza cuántica, por lo que tenemos la oportunidad de explorar formas de usarlas que dobleguen o incluso rompan nuestras nociones intuitivas de lo que sucede a pequeña escala. Estoy particularmente interesado en la forma en que las partículas cuánticas pueden funcionar para violar una de nuestras experiencias más fundamentales, la del tiempo”. En colaboración con el investigador Gaoyan Zhu y el profesor Peng Xue del Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de Beijing, el equipo experimentó con formas de cargar una batería cuántica utilizando aparatos ópticos como láseres, lentes y espejos, pero la forma en que lo lograron requería un efecto cuántico donde los eventos no están causalmente conectados como lo están las cosas cotidianas. Los métodos anteriores para cargar una batería cuántica implicaban una serie de etapas de carga una tras otra. Sin embargo, aquí, el equipo utilizó un novedoso efecto cuántico al que llaman orden causal indefinido, o ICO. En el ámbito clásico, la causalidad sigue un camino claro, lo que significa que si el evento A conduce al evento B, entonces se excluye la posibilidad de que B cause A. Sin embargo, a escala cuántica, ICO permite que existan ambas direcciones de causalidad en lo que se conoce como superposición cuántica, donde ambas pueden ser simultáneamente verdaderas.
El efecto de interacción inversa. La intuición común sugiere que un cargador más potente da como resultado una batería con una carga más fuerte. Sin embargo, el descubrimiento procedente del ICO introduce un cambio notable en esta relación; Ahora es posible cargar una batería de mayor energía con mucha menos energía. (Imagen: 2023 Chen et al. CC-BY-ND) “Con ICO, demostramos que la forma en que se carga una batería compuesta de partículas cuánticas podría afectar drásticamente su rendimiento”, dijo Chen. “Vimos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Y de manera algo contraria a la intuición, descubrimos el efecto sorprendente de una interacción que es inversa a lo que se podría esperar: un cargador de menor potencia podría proporcionar energías más altas con mayor eficiencia que un cargador de potencia comparablemente mayor que utiliza el mismo aparato”. El fenómeno de ICO que exploró el equipo podría encontrar usos más allá de cargar una nueva generación de dispositivos de bajo consumo. Los principios subyacentes, incluido el efecto de interacción inversa descubierto aquí, podrían mejorar el desempeño de otras tareas que involucran termodinámica o procesos que involucran la transferencia de calor. Un ejemplo prometedor son los paneles solares, donde los efectos del calor pueden reducir su eficiencia, pero el ICO podría usarse para mitigarlos y generar ganancias en eficiencia.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64255.php
