Топологические квантовые батареи: прорыв в наномасштабном хранении энергии

Учёные из RIKEN Center for Quantum Computing (Япония) и Huazhong University of Science and Technology (Китай) представили теоретическую модель «топологической квантовой батареи» — устройства, способного передавать энергию на расстояние без потерь благодаря использованию топологических свойств фотонных волноводов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters и указывают на возможность создания нового класса наномасштабных накопителей энергии.

Квантовые батареи как альтернатива химическим аккумуляторам

В отличие от традиционных батарей, которые хранят энергию через химические реакции, квантовые батареи используют квантовые явления — суперпозицию, запутанность и когерентность. Теоретически такие устройства обещают более высокую скорость зарядки, большую ёмкость и лучшую эффективность извлечения энергии по сравнению с классическими решениями.

Основная проблема практической реализации квантовых батарей — уязвимость к потере энергии и декогеренции (процессу, при котором квантовая система теряет свои ключевые свойства, такие как запутанность и суперпозиция). В обычных фотонных системах энергия рассеивается в волноводе, особенно при изгибах или структурных дефектах, что критически снижает эффективность хранения.

Топология как решение проблемы диссипации

Международная исследовательская группа применила аналитические и численные методы для создания топологической квантовой батареи. Топологические свойства материалов — это характеристики, которые остаются неизменными даже при непрерывных деформациях структуры (скручивании, изгибе). Используя фотонные волноводы с топологической защитой, команда продемонстрировала возможность достижения практически идеальной передачи энергии на расстояние.

Одно из ключевых открытий: когда источник зарядки и батарея находятся на одном узле структуры, система приобретает иммунитет к диссипации, ограниченный одной подрешёткой. Это означает, что энергия не рассеивается в окружающую среду даже при наличии структурного беспорядка или шума.

Парадокс диссипации: враг становится союзником

Наиболее неожиданный результат исследования — обнаружение того, что диссипация может временно усиливать мощность зарядки при превышении критического порога. Это противоречит общепринятому представлению о том, что потери энергии всегда вредят производительности системы. Чжи-Гуан Лу, первый автор исследования, отмечает: «Наша работа даёт новые подходы с точки зрения топологии и приближает нас к реализации высокопроизводительных микромасштабных устройств хранения энергии».

Применения: от квантовой связи до распределённых вычислений

Исследование указывает на три ключевых направления применения топологических квантовых батарей:

• Наномасштабное хранение энергии: устройства размером в десятки нанометров для питания интегральных фотонных схем и квантовых процессоров
• Оптическая квантовая связь: передача энергии между узлами квантовой сети с минимальными потерями на больших расстояниях
• Распределённые квантовые вычисления: энергообеспечение массивов кубитов, где классические методы питания создают тепловые и электромагнитные помехи

Ченг Шан, соответствующий автор исследования, подчёркивает: «В перспективе мы продолжим работу по преодолению разрыва между теоретическими исследованиями и практическим развёртыванием квантовых устройств — чтобы открыть квантовую эру, которую мы так долго предвидели».

Стратегические выводы для технологических лидеров

Барьеры на пути к коммерциализации

Несмотря на теоретический прорыв, практическая реализация топологических квантовых батарей сталкивается с рядом вызовов:

• Масштабирование производства: создание фотонных волноводов с топологическими свойствами требует прецизионных методов молекулярно-лучевой эпитаксии или металлорганической химической парофазной эпитаксии
• Интеграция с существующими системами: квантовые батареи нуждаются в криогенном охлаждении и вакуумной среде, что усложняет их применение вне лабораторий
• Стоимость компонентов: высококачественные фотонные кристаллы и квантовые точки остаются дорогими в производстве

Тем не менее, траектория развития топологических квантовых батарей параллельна эволюции квантовых вычислений: от теоретических моделей к лабораторным прототипам, а затем к практическим устройствам. Аналогия с суперпроводящими кубитами, которые за 15 лет прошли путь от лабораторных экспериментов до коммерческих квантовых процессоров IBM и Google, указывает на возможный горизонт реализации к началу 2030-х годов.