Os computadores quânticos oferecem o potencial de resolver problemas computacionais que estão além do alcance dos computadores clássicos. Como exemplo, a empresa canadense Xanadu afirmou recentemente que seu computador quântico foi capaz de resolver, em apenas 36 microssegundos, uma tarefa computacional que exigiria 9.000 anos usando supercomputadores de última geração.
No entanto, as tecnologias quânticas precisam de energia para operar. Essa simples consideração levou os pesquisadores a desenvolver a ideia de baterias quânticas, que são sistemas mecânicos quânticos usados ​​como dispositivos de armazenamento de energia. Recentemente, pesquisadores do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos (PCS) do Instituto de Ciências Básicas (IBS), na Coréia do Sul, conseguiram impor restrições rígidas ao possível desempenho de carregamento de uma bateria quântica.

Especificamente, eles mostraram que uma coleção de baterias quânticas pode levar a uma enorme melhoria na velocidade de carregamento em comparação com um protocolo de carregamento clássico. Isso se deve aos efeitos quânticos, que permitem que as células das baterias quânticas sejam carregadas simultaneamente.

Apesar dessas conquistas teóricas, as realizações experimentais de baterias quânticas ainda são escassas. O único contra-exemplo notável recente usou uma coleção de sistemas de dois níveis (muito semelhantes aos qubits recém-introduzidos) para fins de armazenamento de energia, sendo a energia fornecida por um campo eletromagnético (um laser).

Dada a situação atual, é claramente de extrema importância encontrar plataformas quânticas novas e mais acessíveis que possam ser usadas como baterias quânticas. Com essa motivação em mente, pesquisadores da mesma equipe do IBS PCS, trabalhando em colaboração com Giuliano Benenti (Universidade de Insubria, Itália), decidiram recentemente revisitar um sistema de mecânica quântica que já foi muito estudado no passado:o micromaser.

Micromaser é um sistema onde um feixe de átomos é usado para bombear fótons para uma cavidade. Simplificando, um micromaser pode ser pensado como uma configuração especular ao modelo experimental de bateria quântica mencionado acima:a energia é armazenada no campo eletromagnético, que é carregado por um fluxo de qubits interagindo sequencialmente com ele.

Os pesquisadores do IBS PCS e seu colaborador mostraram que os micromasers possuem características que os permitem servir como excelentes modelos de baterias quânticas. Uma das principais preocupações ao tentar usar um campo eletromagnético para armazenar energia é que, em princípio, o campo eletromagnético poderia absorver uma quantidade enorme de energia, potencialmente muito mais do que o necessário. Fazendo uma analogia com um case simples, isso corresponderia a uma bateria de telefone que, quando conectada, continua aumentando sua carga indefinidamente. Nesse cenário, esquecer que o telefone está conectado pode ser extremamente arriscado, pois não haveria mecanismo para interromper o carregamento.

Felizmente, os resultados numéricos da equipe mostram que isso não pode acontecer em micromasers. O campo eletromagnético atinge rapidamente uma configuração final (tecnicamente chamada de estado estacionário), cuja energia pode ser determinada e decidida a priori na construção do micromaser. Esta propriedade garante proteção contra os riscos de sobrecarga.

Além disso, os pesquisadores mostraram que a configuração final do campo eletromagnético está em estado puro, o que significa que não traz memória dos qubits que foram usados ​​durante o carregamento. Esta última propriedade é particularmente crucial quando se trata de uma bateria quântica. Garante que toda a energia armazenada na bateria possa ser extraída e utilizada sempre que necessário, sem a necessidade de acompanhar os qubits utilizados durante o processo de carregamento.

Por fim, foi demonstrado que esses recursos atraentes são robustos e não são destruídos pela alteração dos parâmetros específicos definidos neste estudo. Essa propriedade é de clara importância ao tentar construir uma bateria quântica real, pois as imperfeições no processo de construção são simplesmente inevitáveis.

Curiosamente, em uma série paralela de artigos, Stefan Nimmrichter e seus colaboradores mostraram que os efeitos quânticos podem tornar o processo de carregamento do micromaser mais rápido do que o carregamento clássico. Em outras palavras, eles conseguiram mostrar a presença da vantagem quântica mencionada anteriormente durante o carregamento de uma bateria de micromaser.

Todos esses resultados sugerem que o micromaser pode ser considerado uma nova plataforma promissora que pode ser usada para construir baterias quânticas. O fato de esses sistemas já terem sido implementados em realizações experimentais por muitos anos poderia dar um grande impulso na construção de novos protótipos acessíveis de baterias quânticas.

Para este fim, os pesquisadores do IBS PCS e Giuliano Benenti estão atualmente iniciando uma colaboração conjunta com Stefan Nimmrichter e seus colaboradores, para explorar ainda mais esses modelos promissores. A esperança é que essa nova colaboração de pesquisa finalmente seja capaz de avaliar e testar experimentalmente o desempenho de dispositivos de bateria quântica baseados em micromaser.

A pesquisa foi publicada em Quantum Science and Technology . + Explorar mais

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