گام جدید دانشمندان ژاپنی در مسیر توسعه باتری‌های کوانتومی

در سال‌های اخیر، به‌دلیل نگرانی‌های زیست‌محیطی، دانشمندان به دنبال راهکارهای نوین برای ذخیره‌سازی انرژی بوده‌اند. اکنون محققان ژاپنی به پیشرفت نظری چشمگیری دست یافته‌اند و توانسته‌اند مانع اصلی توسعه باتری‌های کوانتومی اتلاف انرژی را برطرف کنند. این دستاورد، که فعلاً در قالب یک چارچوب نظری ارائه شده، می‌تواند شیوه ذخیره و انتقال انرژی را در آینده به‌طور بنیادی تغییر دهد.
باتری‌های کوانتومی دستگاه‌هایی هستند که به جای واکنش‌های شیمیایی سنتی، از پدیده‌های کوانتومی مانند برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی و همدوسی برای ذخیره انرژی بهره می‌برند. این باتری‌ها در تئوری مزایای قابل‌توجهی نسبت به باتری‌های سنتی دارند؛ از جمله شارژ سریع‌تر، ظرفیت بالاتر و بازدهی بیشتر.
با وجود دهه‌ها تحقیق، ساخت باتری‌های کوانتومی در عمل بسیار دشوار بوده است. این سیستم‌ها در شرایط واقعی به شدت در برابر اتلاف انرژی و ناهمدوسی (Decoherence) آسیب‌پذیر هستند. ناهمدوسی فرایندی است که طی آن سیستم‌های کوانتومی خواص کلیدی خود، مانند درهم‌تنیدگی، را از دست می‌دهند و عملکرد آن‌ها کاهش می‌یابد. همچنین در سیستم‌های فوتونی، هرگونه نقص یا خمیدگی کوچک در موج‌بر (کانال هدایت فوتون‌ها) باعث پراکندگی فوتون‌ها و افت شدید بازده انرژی می‌شود.

پیشرفت در توسعه باتری‌های کوانتومی

برای غلبه بر این چالش‌ها، محققان مرکز RQC ژاپن و دانشگاه علوم و فناوری هواژونگ چین از مدل‌سازی تحلیلی و عددی در یک چارچوب نظری استفاده کرده و از خواص توپولوژیک بهره بردند. این خواص ماده‌ای تضمین می‌کنند که حتی در صورت خمیدگی یا پیچیدگی ساختار، ویژگی‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند.
محققان نشان دادند که استفاده از این ویژگی‌ها در موج‌برهای فوتونی می‌تواند به دستاوردهای بزرگی منجر شود. به طور مشخص، موج‌برهای فوتونی توپولوژیک امکان «انتقال تقریباً کامل انرژی» را فراهم می‌کنند. همچنین وقتی شارژر کوانتومی و باتری کوانتومی در یک زیرشبکه قرار گیرند، حداکثر انرژی قابل استخراج در برابر اتلاف در آن محل محافظت می‌شود.
در نتیجه‌ای غیرمنتظره، محققان دریافتند که اتلاف انرژی که معمولاً مضر است، تحت شرایط خاص می‌تواند به طور موقت قدرت شارژ را افزایش دهد. زمانی که اتلاف انرژی از یک سطح بحرانی فراتر رود، قدرت شارژ یک «افزایش مختصر اما قابل توجه» را تجربه می‌کند. این یافته باور رایج مبنی بر اینکه اتلاف انرژی همیشه مضر است را به چالش می‌کشد و افق جدیدی برای توسعه باتری‌های کوانتومی گشوده است.