Nichtreziproke Quantenbatterien weisen bemerkenswerte Fähigkeiten und Effizienz auf

In der Physik spricht man von Nichtreziprozität, wenn die Reaktion eines Systems abhängig von der Richtung variiert, in der sich Wellen oder Signale darin ausbreiten. Diese Asymmetrie resultiert aus einem Bruch der sogenannten Zeitumkehrsymmetrie, was im Wesentlichen bedeutet, dass die Prozesse in einem System, die im Laufe der Zeit beobachtet werden, sich von denen unterscheiden, die beim Zurückspulen beobachtet werden.

Nichtreziprozität wird häufig bei der Entwicklung neuer Quantentechnologien ausgenutzt, um beispielsweise den Signalfluss in eine bestimmte Richtung zu ermöglichen und Rauschen zu unterdrücken. Bisher wurde es jedoch selten für die Entwicklung von Quantenenergiespeicherlösungen eingesetzt.

Forscher der Universität Danzig in Polen und der Universität Calgary in Kanada untersuchten kürzlich die Möglichkeit, Nichtreziprozität zur Optimierung der Ladedynamik von Quantenbatterien zu nutzen. Ihr Artikel, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungstellt neue nichtreziproke Quantenbatterien vor, die sowohl hinsichtlich der Energiekapazität als auch der Effizienz bemerkenswert gute Leistungen erbringen.

„Unsere jüngste Arbeit entstand aus unserer kontinuierlichen Erforschung der Nichtreziprozität und ihrer Anwendungen in Quantentechnologien“, sagte Assistenzprofessor Shabir Barzanjeh, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org.

„Die Grundidee wurde von den inhärenten Vorteilen nichtreziproker Systeme im Hinblick auf den gerichteten Signalfluss und die Rauschunterdrückung inspiriert, die für die Quanteninformation und -berechnung von entscheidender Bedeutung sind. Unser Ziel war es, diese Vorteile auf die Feldquantenbatterien auszudehnen, wobei wir uns insbesondere auf die Optimierung der Energiespeicherung konzentrierten.“ und Ladedynamik.

Das Hauptziel der Studie von Barzanjeh und Kollegen bestand darin, die Nichtreziprozität erfolgreich zu nutzen, um die Effizienz und Kapazität von Quantenbatterien zu verbessern, was möglicherweise zu Innovationen bei der Speicherung von Energie durch Quantentechnologien führen würde.

Die von ihnen entwickelten Batterien nutzen die Bruchzeitumkehrsymmetrie, um einen direkten Energiefluss von einem Quantenladegerät zur Batterie zu erzeugen und so einen Energierückfluss zu verhindern.

„Dies wird durch Reservoirtechnik erreicht, bei der eine dissipative Umgebung, wie etwa ein Hilfswellenleiter, eine effiziente Energieübertragung erleichtert“, erklärte Barzanjeh.

„Die nichtreziproke Konfiguration verbessert die Energieakkumulation mithilfe eines interferenzähnlichen Prozesses, der dissipative Wechselwirkungen mit kohärenten Wechselwirkungen ausgleicht. Dieser Ansatz erhöht die gespeicherte Energie erheblich, selbst in überdämpften Kopplungsregimen, und ist mit aktuellen Quantenschaltkreisen in photonischen und supraleitenden Systemen einfach zu implementieren.“

Die Forscher bewerteten die Leistung ihrer nichtreziproken Quantenbatterien, indem sie eine Reihe von Berechnungen durchführten, und erzielten sehr vielversprechende Ergebnisse. Tatsächlich fanden sie heraus, dass ihr nichtreziprokes Design eine Vervierfachung der Energiespeichereffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Quantenbatterien ermöglichte.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass nichtreziproke Quantenbatterien die lokale Verlustleistung wirksam überwinden und hohe Energieübertragungsraten aufrechterhalten können“, sagte Barzanjeh. „Die praktischen Auswirkungen sind enorm und könnten die Energiespeicherung in Quantentechnologien revolutionieren, eine effizientere Quantenerfassung und Energieerfassung ermöglichen und sogar das Studium der Quantenthermodynamik vorantreiben.“

Die jüngste Arbeit dieses Forschungsteams eröffnet aufregende neue Wege für die Nutzung der Nichtreziprozität, um die Leistung und Zuverlässigkeit von Quantenbatterien und anderen Quantensystemen zu verbessern.

In ihren nächsten Studien planen Barzanjeh und seine Kollegen, das Potenzial nichtreziproker Quantenbatterien weiter zu bewerten, gleichzeitig ihr Design zu optimieren und ihre Batterien in größere Quantensysteme zu integrieren.

„Wir wollen nun die Wechselwirkung zwischen Nichtreziprozität und anderen Quantenressourcen wie Verschränkung und Quantenkatalyse untersuchen, um die Energiespeicherfähigkeiten weiter zu stärken“, fügte Barzanjeh hinzu.

„Darüber hinaus planen wir, unsere theoretischen Modelle experimentell in praktische Quantenschaltkreise umzusetzen, unsere Erkenntnisse zu validieren und die Technologie für reale Anwendungen zu verfeinern. Dazu gehört die Erforschung der chiralen und topologischen Eigenschaften von Systemen, die eine verlustbehaftete Kopplung aufweisen, was zu neuen Ergebnissen führen könnte.“ Durchbrüche in der Quanteninformationsverarbeitung und Energiespeicherung.

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