激光网3月8日消息，波士顿大学研究人员的一项新研究提出了一种基于矩形空心金属波导的量子电池充电方案。这种方法使他们能够克服环境引起的退相干和充电距离限制。研究结果发表在《物理评论快报》上。
电池的需求和供应持续增长，重点是提高储能、寿命和充电能力。在这方面，科学家们现在正在开发利用量子力学原理来储存和供应能量的量子电池。
目的是利用量子力学的基本原理，如纠缠和相干性来克服经典物理学的限制，从而实现比经典同行更强的充电功率、更高的充电容量和更大的功提取。
这项新研究通过将电池和充电器放置在矩形空心波导中来探索QB。该方法旨在减轻退相干的影响，以实现持久高效的 QB 性能。
谈到该团队探索量子电池的动机，该研究的主要作者，来自中国兰州大学的Jun-Hong An教授告诉 Phys.org，“退相干挑战导致QB的自发能量损失，这被称为QB的老化。
“QB实际性能面临的另一个挑战是其充电效率低，这是由于QB与其充电器之间相干相互作用的脆弱性造成的。我们想克服这些挑战。
QB 模型基于两个两能级系统，它们是具有两个不同能级的系统。这些能级通常表示为基态和激发态。
一个系统是电池本身，另一个系统是充电器。这些TLS之间的充电和能量交换过程在QB系统的功能中起着关键作用。TLS 通过与其他 TLS 或外部字段建立相干耦合来收费。
在QB的背景下，相干耦合是这些量子系统之间的同步和相关的相互作用，允许能量的转移或交换。这些相干相互作用是脆弱的，并将退相干引入这些系统。
“任何量子系统都不能与外部环境完全隔离，这不可避免地会引起系统不必要的退相干，”Jun-Hong教授解释说。
这些型号通过充电器与QB的直接交互实现充电。然而，这种关系受到两者之间距离的影响，导致充电效率下降。为了克服这个问题和退相干问题，研究人员引入了矩形空心波导。
波导是一种沿着特定路径引导波的结构。它充当波浪的管道，限制和引导它们以受控的方式传播。
“矩形空心金属波导用于收集和引导电磁场，以介导QB和充电器之间的能量传递，”Jun-Hong教授说。
能量传输本身在两个TLS之间没有直接接触的情况下发生，这为QB充电过程引入了一种新方法。
研究人员的模型取决于电磁场和波导内物质之间的量子化相互作用。
在波导的范围内，电磁场具有特定的色散关系和带隙结构，这是影响其在量子系统内传播和相互作用的参数。
最初，该电磁场处于真空状态，这意味着其模式中没有光子。同时，QB处于基态，充电器处于励磁状态。
充电器经历从激发态到基态的转变，在电磁场中发射光子。这在电磁场中引入了激励，导致该场具有无限模式。
光子随后被 QB 吸收，QB 转变为激发态。
尽管在电磁场中具有无限模式通常会在量子系统中引起退相干，但令人惊讶的是，研究人员发现这种无限模式场充当环境，并且与预期相反，促进了相干的QB充电器能量交换。
“我们的工作揭示了一种通过无限模式电磁场的中介作用实现相干QB-充电器能量交换的机制，”Jun-Hong教授解释说。
出乎意料的发现是，系统中的退相干不会导致QB的老化，这与普遍的看法相矛盾。相反，研究人员指出，能量交换是一种最佳的充电过程，通常在充电器和QB直接相互作用的情况下。
此外，他们的QB方案显示出无线充电的长距离，在整个系统的能量谱中形成两个束缚态起着至关重要的作用。
Jun-Hong教授补充道：“我们工作的一个启示是，波导所青睐的量子互连为我们提供了一种有用的方法来克服QB实际实现中的挑战。
这提高了 QB 的有效性，并为更轻、更薄的设备打开了大门，并具有更大的便利性，这也因其耐用性而脱颖而出。
Jun-Hong教授还强调，他们的设备是完全安全无害的，因为电磁场总是被限制在波导内，而QB的能量存储，没有电化学反应，促进了无限的可重复使用性，而不会污染环境。
研究人员的下一步是扩展他们的QB计划。
“更具体地说，我们计划开发一种多体QB模型，以远程无线充电的方式工作。这可以让我们有效地利用量子纠缠的优势，提高远程充电和抗衰老QB的充电功率、充电能力和可提取性工作。
