Quantenbatterien durchbrechen die Kausalität

Eine neue Art, Batterien aufzuladen, nutzt die Kraft der "unbestimmten kausalen Ordnung"

19.12.2023

Symbolisches Bild

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Batterien, die Quantenphänomene zur Gewinnung, Verteilung und Speicherung von Energie nutzen, versprechen, die Fähigkeiten und den Nutzen herkömmlicher chemischer Batterien bei bestimmten Anwendungen mit geringer Leistung zu übertreffen. Zum ersten Mal nutzen Forscher, unter anderem von der Universität Tokio, einen nicht intuitiven Quantenprozess, der die herkömmliche Vorstellung von Kausalität außer Acht lässt, um die Leistung so genannter Quantenbatterien zu verbessern und diese Zukunftstechnologie der Realität ein Stück näher zu bringen.

Wenn man das Wort "Quanten" hört, also die Physik, die die subatomare Welt regiert, machen in der Regel die Entwicklungen bei den Quantencomputern die Schlagzeilen, aber es gibt auch andere aufkommende Quantentechnologien, die es wert sind, beachtet zu werden. Eine davon ist die Quantenbatterie, die trotz ihres zunächst rätselhaften Namens ein unerforschtes Potenzial für nachhaltige Energielösungen und die mögliche Integration in künftige Elektrofahrzeuge birgt. Nichtsdestotrotz können diese neuen Geräte in verschiedenen tragbaren und stromsparenden Anwendungen zum Einsatz kommen, insbesondere dann, wenn es nur wenige Möglichkeiten zum Aufladen gibt.

Derzeit existieren Quantenbatterien nur als Laborexperimente, und Forscher auf der ganzen Welt arbeiten an den verschiedenen Aspekten, die hoffentlich eines Tages zu einer voll funktionsfähigen und praktischen Anwendung zusammengeführt werden können. Der Doktorand Yuanbo Chen und der außerordentliche Professor Yoshihiko Hasegawa von der Abteilung für Informations- und Kommunikationstechnik der Universität Tokio untersuchen, wie sich eine Quantenbatterie am besten aufladen lässt, und hier kommt die Zeit ins Spiel. Einer der Vorteile von Quantenbatterien ist, dass sie unglaublich effizient sein sollen, aber das hängt von der Art und Weise ab, wie sie aufgeladen werden.

"Aktuelle Batterien für Geräte mit geringem Stromverbrauch, wie Smartphones oder Sensoren, verwenden in der Regel Chemikalien wie Lithium, um die Ladung zu speichern, während eine Quantenbatterie mikroskopisch kleine Teilchen wie Atomarrays verwendet", so Chen. "Während chemische Batterien den klassischen Gesetzen der Physik unterliegen, sind mikroskopische Teilchen quantenphysikalischer Natur, so dass wir die Möglichkeit haben, Möglichkeiten zu erforschen, wie wir sie nutzen können, die unsere intuitiven Vorstellungen davon, was in kleinen Maßstäben vor sich geht, biegen oder sogar brechen. Ich interessiere mich besonders für die Art und Weise, wie Quantenpartikel eine unserer grundlegendsten Erfahrungen, die der Zeit, verletzen können.

In Zusammenarbeit mit den Forschern Gaoyan Zhu und Professor Peng Xue vom Beijing Computational Science Research Center experimentierte das Team mit Möglichkeiten, eine Quantenbatterie mit optischen Geräten wie Lasern, Linsen und Spiegeln aufzuladen, aber die Art und Weise, wie sie dies erreichten, erforderte einen Quanteneffekt, bei dem Ereignisse nicht kausal miteinander verbunden sind, wie es im Alltag der Fall ist. Frühere Methoden zum Aufladen einer Quantenbatterie beinhalteten eine Reihe von aufeinanderfolgenden Ladestufen. In diesem Fall nutzte das Team jedoch einen neuartigen Quanteneffekt, den sie als unbestimmte kausale Ordnung (ICO) bezeichnen. Im klassischen Bereich folgt die Kausalität einem klaren Pfad, d. h. wenn Ereignis A zu Ereignis B führt, ist die Möglichkeit ausgeschlossen, dass B A verursacht. Auf der Quantenskala erlaubt ICO jedoch, dass beide Kausalitätsrichtungen in einer so genannten Quantensuperposition existieren, in der beide gleichzeitig wahr sein können.

"Mit ICO haben wir gezeigt, dass die Art und Weise, wie man eine aus Quantenpartikeln bestehende Batterie auflädt, ihre Leistung drastisch beeinflussen kann", so Chen. "Wir konnten sowohl die gespeicherte Energie als auch den thermischen Wirkungsgrad enorm steigern. Und etwas kontraintuitiv entdeckten wir den überraschenden Effekt einer Wechselwirkung, die genau das Gegenteil von dem ist, was man erwarten würde: Ein Ladegerät mit geringerer Leistung kann höhere Energien mit größerer Effizienz liefern als ein vergleichsweise leistungsstärkeres Ladegerät mit demselben Gerät."

Das Phänomen der ICO, das das Team erforscht hat, könnte über das Laden einer neuen Generation von Geräten mit geringem Stromverbrauch hinaus Anwendung finden. Die zugrundeliegenden Prinzipien, einschließlich des hier aufgedeckten inversen Wechselwirkungseffekts, könnten die Leistung anderer thermodynamischer Aufgaben oder Prozesse verbessern, bei denen es um die Übertragung von Wärme geht. Ein vielversprechendes Beispiel sind Solarpaneele, bei denen Wärmeeffekte die Effizienz verringern können, aber ICO könnte eingesetzt werden, um diese Effekte abzuschwächen und stattdessen die Effizienz zu steigern.

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Originalveröffentlichung

Gaoyan Zhu, Yuanbo Chen, Yoshihiko Hasegawa, Peng Xue; "Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment"; Physical Review Letters, Volume 131, 2023-12-13

https://www.chemie.de/news/1182314/quantenbatterien-durchbrechen-die-kausalitaet.html

Originalveröffentlichung

Gaoyan Zhu, Yuanbo Chen, Yoshihiko Hasegawa, Peng Xue; "Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment"; Physical Review Letters, Volume 131, 2023-12-13

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