Coraz więcej urządzeń fizycy i inżynierowie projektują w skali pojedynczych atomów, jonów, fotonów albo bardzo małych obwodów elektrycznych. W tak małej skali energia nie zachowuje się dokładnie tak, jak w klasycznych akumulatorach. Trzeba ją opisywać za pomocą mechaniki kwantowej, czyli fizyki świata atomów i cząstek. Komputery kwantowe, bardzo czułe czujniki, elementy sieci kwantowych czy mikroskopijne maszyny, będą musiały nie tylko przetwarzać informację, ale też pobierać energię, przekazywać ją między swoimi elementami i - z konieczności - tracić ją do otoczenia. Aby takie urządzenia działały stabilnie, trzeba zrozumieć ich energetykę: co znaczy je naładować, jak długo mogą przechowywać energię i ile z tej energii da się później wykorzystać.

Stąd bierze się pojęcie baterii kwantowej. Jest to bardzo mały układ, który może gromadzić energię i oddawać ją w kontrolowany sposób. Może nim być atom, jon, układ światła albo mały obwód nadprzewodzący.

Dla fizyków bateria kwantowa jest przede wszystkim modelem, który pozwala badać magazynowanie energii w najmniejszej skali. Taki model jest niezwykle ciekawy, ponieważ układy kwantowe mają własności niedostępne dla zwykłych baterii. W pewnych warunkach mogą ładować się szybciej, korzystać ze wspólnego działania wielu małych elementów albo przechowywać energię w formie związanej ze spójnością kwantową. Spójność kwantowa oznacza, że układ nie musi być po prostu w jednym z dwóch stanów, lecz może znajdować się w szczególnej kombinacji obu.

To właśnie takie cechy sprawiają, że fizyka kwantowa pozwala inaczej myśleć o przechowywaniu energii.

Żeby jednak mówić o baterii, trzeba najpierw ustalić, co znaczy, że jest ona naładowana. W zwykłym języku powiedzielibyśmy: bateria ma określoną ilość energii. W świecie kwantowym to nie wystarcza. Część energii może być obecna w układzie, ale nie dać się łatwo zamienić na użyteczną pracę. A bateria jest użyteczna właśnie wtedy, gdy jej energię można w kontrolowany sposób odzyskać. Do opisania tej różnicy fizycy używają pojęcia ergotropii. Ergotropia oznacza tę część energii układu, którą można zamienić na pracę. Praca to energia przekazana w uporządkowany sposób, na przykład do wykonania konkretnego działania. Energia rozproszona chaotycznie, związana z ciepłem, nie jest w tym sensie równie użyteczna. Dlatego ergotropia mówi o „użytecznym naładowaniu” baterii kwantowej.

To rozróżnienie prowadzi do ważnego pytania. Skoro ergotropia określa, ile pracy da się wydobyć z baterii kwantowej, to czy dwie baterie o tej samej ergotropii są takie same? Intuicja podpowiadałaby, że powinny być równoważne: skoro można z nich uzyskać tyle samo pracy, to mają taki sam stopień naładowania. Zespół fizyków z Gdańska w pracy opublikowanej w PRX Energy pokazuje jednak, że sprawa jest bardziej subtelna.

Ta sama ilość użytecznej energii może być w baterii kwantowej zapisana na różne sposoby. W najprostszym układzie dwupoziomowym część użytecznej energii może wynikać z tego, że układ częściej znajduje się w stanie o wyższej energii. To przypomina zwykłe wyobrażenie o naładowaniu. Ale część może być związana ze spójnością kwantową, czyli z kwantową kombinacją stanów. Oba sposoby mogą dawać tę samą ergotropię, choć fizycznie oznaczają coś innego. Można to porównać do dwóch plecaków o tym samym ciężarze. W jednym rzeczy są ułożone równo i łatwo po nie sięgnąć. W drugim ważą tyle samo, ale są rozmieszczone inaczej. Sama masa nie mówi jeszcze wszystkiego o wygodzie użycia. Podobnie w baterii kwantowej sama ilość użytecznej energii nie mówi wszystkiego o tym, jak ta energia będzie się zachowywać.

Fizycy nazywają takie przypadki stanami izoergotropowymi. Są to stany o tej samej ergotropii, czyli o tej samej ilości możliwej do wydobycia pracy, ale o innej wewnętrznej strukturze.

Główne pytanie pracy brzmi więc: czy można przejść od jednej takiej struktury do drugiej, zachowując tę samą ilość użytecznej energii? Odpowiedź okazuje się twierdząca. Badacze pokazali, że można rozważać operacje, które nie zwiększają ani nie zmniejszają ergotropii, lecz zmieniają sposób jej zapisania w układzie. To tak, jakby nie ładować baterii bardziej, ale inaczej uporządkować jej ładunek. Całkowita ilość użytecznej energii pozostaje taka sama, zmienia się natomiast jej wewnętrzna forma.

W pracy przeanalizowano dwa proste modele baterii kwantowych. Pierwszy to układ dwupoziomowy, który może mieć niższą albo wyższą energię. Drugi jest związany ze światłem i oscylatorami kwantowymi, ważnymi w optyce kwantowej. W obu przypadkach fizycy pokazali, że tę samą ergotropię można rozdzielać między różne składniki i przekształcać je między sobą. Co istotne, nie jest to tylko zabieg matematyczny. Badacze z Gdańska wskazują, że takie przekształcenia można powiązać ze znanymi oddziaływaniami fizycznymi. Jednym z przykładów jest oddziaływanie podobne do działania dzielnika wiązki w optyce. Dzielnik wiązki to element, który rozdziela lub miesza światło. W opisie kwantowym podobne narzędzie może służyć do kontrolowania wymiany energii między małymi układami.

Realna bateria kwantowa nigdy nie jest całkowicie odcięta od otoczenia. Oddziałuje z nim, podlega zakłóceniom i stopniowo traci użyteczną energię. Jeśli jednak ta sama ergotropia może być zapisana na różne sposoby, to różne mogą być też skutki kontaktu z otoczeniem. Naukowcy pokazują, że dwie baterie kwantowe o tej samej początkowej ergotropii mogą rozładowywać się w różnym tempie. W jednym z analizowanych przypadków większy udział spójności kwantowej pomaga dłużej zachować użyteczną energię. W innym modelu korzystniejsza okazuje się inna forma zapisu. Wniosek jest prosty: w świecie kwantowym liczy się nie tylko ilość zgromadzonej energii, ale także sposób jej zapisania.

Komputer kwantowy, czujnik kwantowy czy element sieci kwantowej będą działały w świecie bardzo delikatnych stanów, podatnych na szum i straty. Lepsze zrozumienie kwantowego magazynowania energii może pomóc projektować układy stabilniejsze i łatwiejsze do kontrolowania. Badania stanowią krok w budowaniu języka, którym opisujemy energię w najmniejszych urządzeniach. Ładunek baterii kwantowej można nie tylko zwiększać albo tracić. Można go również wewnętrznie przeorganizować, zachowując tę samą ilość energii użytecznej. A taka zmiana może zdecydować o tym, jak długo bateria pozostanie naprawdę naładowana.

Krzysztof Petelczyc (PAP)

kmp/ zan/