Dos ejemplos de “teléfonos cuánticos”, ambos cargados por baterías cuánticas basadas en campos electromagnéticos. A la izquierda, un protocolo de carga que no utiliza un enfoque micromaser conduce a una carga descontrolada de la batería con posibles daños. A la derecha, un protocolo de carga basado en micromasers puede autocontrolar la cantidad de carga depositada en el teléfono cuántico. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Sin embargo, las tecnologías cuánticas necesitan energía para funcionar. Esta simple consideración ha llevado a los investigadores a desarrollar la idea de las baterías cuánticas, que son sistemas mecánicos cuánticos utilizados como dispositivos de almacenamiento de energía. Recientemente, los investigadores del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos (PCS) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), Corea del Sur, han podido imponer restricciones estrictas sobre el posible rendimiento de carga de una batería cuántica.
Específicamente, demostraron que una colección de baterías cuánticas puede conducir a una enorme mejora en la velocidad de carga en comparación con un protocolo de carga clásico. Esto es gracias a los efectos cuánticos, que permiten que las celdas de las baterías cuánticas se carguen simultáneamente.
A pesar de estos logros teóricos, las realizaciones experimentales de baterías cuánticas aún son escasas. El único contraejemplo notable reciente utilizó una colección de sistemas de dos niveles (muy similares a los qubits que acabamos de presentar) con fines de almacenamiento de energía, con la energía proporcionada por un campo electromagnético (un láser).
Dada la situación actual, es claramente de suma importancia encontrar plataformas cuánticas nuevas y más accesibles que puedan usarse como baterías cuánticas. Con esta motivación en mente, los investigadores del mismo equipo de IBS PCS, en colaboración con Giuliano Benenti (Universidad de Insubria, Italia), decidieron recientemente revisar un sistema de mecánica cuántica que se ha estudiado mucho en el pasado:el micromaser.
Micromaser es un sistema en el que se utiliza un haz de átomos para bombear fotones a una cavidad. Dicho en términos simples, se puede pensar en un micromaser como una configuración especular del modelo experimental de batería cuántica mencionado anteriormente:la energía se almacena en el campo electromagnético, que se carga mediante una corriente de qubits que interactúan secuencialmente con él.
Los investigadores de IBS PCS y su colaborador demostraron que los micromasers tienen características que les permiten servir como excelentes modelos de baterías cuánticas. Una de las principales preocupaciones al intentar utilizar un campo electromagnético para almacenar energía es que, en principio, el campo electromagnético podría absorber una enorme cantidad de energía, potencialmente mucho más de lo necesario. Haciendo una analogía con un caso sencillo, esto correspondería a una batería de teléfono que, al enchufarla, sigue aumentando su carga indefinidamente. En tal escenario, olvidar que el teléfono está enchufado podría ser extremadamente arriesgado, ya que no habría ningún mecanismo para detener la carga.
Afortunadamente, los resultados numéricos del equipo muestran que esto no puede suceder en micromásers. El campo electromagnético alcanza rápidamente una configuración final (técnicamente llamada estado estacionario), cuya energía se puede determinar y decidir a priori al construir el micromaser. Esta propiedad garantiza la protección contra los riesgos de sobrecarga.
Además, los investigadores demostraron que la configuración final del campo electromagnético está en estado puro, lo que significa que no trae memoria de los qubits que se han utilizado durante la carga. Esta última propiedad es particularmente crucial cuando se trata de una batería cuántica. Garantiza que toda la energía almacenada en la batería se pueda extraer y utilizar cuando sea necesario, sin necesidad de llevar un registro de los qubits utilizados durante el proceso de carga.
Finalmente, se demostró que estas características atractivas son sólidas y no se destruyen al cambiar los parámetros específicos definidos en este estudio. Esta propiedad es de clara importancia cuando se trata de construir una batería cuántica real, ya que las imperfecciones en el proceso de construcción son simplemente inevitables.
Curiosamente, en una serie paralela de artículos, Stefan Nimmrichter y sus colaboradores han demostrado que los efectos cuánticos pueden hacer que el proceso de carga del micromáser sea más rápido que la carga clásica. En otras palabras, han podido demostrar la presencia de la ventaja cuántica antes mencionada durante la carga de una batería micromaser.
Todos estos resultados sugieren que micromaser podría considerarse como una nueva plataforma prometedora que puede usarse para construir baterías cuánticas. El hecho de que estos sistemas ya se hayan implementado en realizaciones experimentales durante muchos años podría dar un gran impulso en la construcción de nuevos prototipos accesibles de baterías cuánticas.
Con este fin, los investigadores de IBS PCS y Giuliano Benenti están iniciando actualmente una colaboración conjunta con Stefan Nimmrichter y sus colaboradores, para explorar más a fondo estos modelos prometedores. La esperanza es que esta nueva colaboración de investigación finalmente pueda comparar y probar experimentalmente el rendimiento de los dispositivos de batería cuántica basados en micromaser.
La investigación fue publicada en Quantum Science and Technology . La superabsorción desbloquea la clave para las baterías cuánticas de próxima generación
