Forscher haben eine neuartige topologische Quantenbatterie entwickelt. Sie nutzt Quanteneffekte, um Energie verlustfrei zu speichern.
Forscher haben ein neues theoretisches Konzept für eine sogenannte topologische Quantenbatterie entwickelt. Diese könnte ein großes Problem gängiger Batteriespeicher lösen. Denn das futuristische Energiespeichergerät soll in der Lage sein, Energie nahezu verlustfrei zu speichern und zu übertragen.
Quantenbatterien sind theoretische, miniaturisierte Geräte, die im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien keine chemischen Reaktionen zur Energiespeicherung nutzen. Stattdessen verwenden sie Quanteneffekte wie Superposition, Verschränkung und Kohärenz.
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Was ist eine topologische Quantenbatterie?
Theoretisch sollen Quantenbatterien erhebliche Vorteile gegenüber klassischen Batterien bieten. Darunter: ein schnelleres Aufladen, eine größere Kapazität sowie eine effizientere Energieübertragung und -gewinnung. Bisher konnten diese Batterien jedoch noch nicht in der Praxis realisiert werden.
Die größten Herausforderungen in realen Szenarien sind der Energieverlust und die sogenannte Dekohärenz, bei der Quantensysteme wichtige Eigenschaften verlieren, was die Leistung mindert. Das neue theoretische Modell kombiniert die topologischen Eigenschaften von photonischen Wellenleitern mit dem Quantenverhalten von sogenannten Zwei-Niveau-Atomen.
Topologische Eigenschaften sind Materialmerkmale, die selbst dann unverändert bleiben, wenn das Material verformt wird. Durch die Nutzung dieser Eigenschaften konnte das Forschungsteam zeigen, wie sich eine Langstreckenladung und eine Immunität gegen Energieverlust erreichen lassen.
Unerwarteter Vorteil: Energieverlust steigert Leistung
Die Forschung enthüllte zudem eine unerwartete Erkenntnis: die sogenannte Dissipation. Das heißt, dass der Energieverlust, der normalerweise als leistungsmindernd gilt, unter bestimmten Bedingungen die Ladeleistung einer Quantenbatterie vorübergehend steigern kann.
Das Team zeigte, dass eine nahezu perfekte Energieübertragung erreicht werden kann, wenn die topologischen Eigenschaften photonischer Wellenleiter genutzt werden. Diese topologische Quantenbatterie soll wichtige Anwendungen in der nanoskalaren Energiespeicherung, der optischen Quantenkommunikation und in verteilten Quantencomputernetzwerken ermöglichen.
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