در سال‌های تازه به‌علت نگرانی‌های زیست‌محیطی، دانشمندان به‌جستوجو راه حلهای نوین ذخیره‌سازی انرژی بوده‌اند. اکنون در این مسیر محققان ژاپنی به پیشرفت نظری شگفت‌انگیزی رسیده‌اند؛ آنها توانستند مانع مهم گسترش باتری‌های کوانتومی (اتلاف انرژی) را رفع کنند. این دستاورد که اکنون در قالب چارچوب نظری اراعه شده، می‌تواند نحوه ذخیره و انتقال نیرو را در آینده به کلی منقلب کند.

بر پایه گزارش ScienceDaily، باتری‌های کوانتومی دستگاه‌هایی می باشند که به‌جای عکس العمل‌های شیمیایی سنتی، از اتفاق‌های کوانتومی همانند برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی و همدوسی برای ذخیره انرژی منفعت گیری می‌کنند. در تئوری، این باتری‌ها مزایای شگفت انگیز‌ای نسبت به باتری‌های معمولی دارند؛ این باتری‌ها شارژ سریع تر، ظرفیت بالاتر و بازدهی بهتری اراعه خواهند داد.

با وجود سال‌ها تحقیق، محققان نتوانسته‌اند باتری‌های کوانتومی را بسازند. در شرایط دنیای واقعی این سیستم‌ها به شدت در برابر اتلاف انرژی و ناهمدوسی (Decoherence) صدمه‌پذیرند. ناهمدوسی فرایندی است که در آن سیستم‌های کوانتومی خواص مهم خود (همانند درهم‌تنیدگی) را از دست خواهند داد که تبدیل افت شدید کارکرد می‌شود. این چنین در سیستم‌های فوتونی (مبتنی‌بر نور) هرگونه نقص کوچک یا خمیدگی در «موج‌بر» (کانالی که فوتون‌ها را هدایت می‌کند) علتپراکندگی فوتون‌ها و کم شدن شدید بازدهی انرژی می‌شود.

گسترش باتری‌های کوانتومی

برای تسلط بر این مشکلات، محققان مرکز RQC ژاپن و دانشگاه علوم و فناوری هواژونگ چین از مدل‌سازی تحلیلی و عددی در یک چارچوب نظری منفعت گیری کردند و از «خواص توپولوژیک» منفعت بردند؛ اینها ویژگی‌های ماده‌ای می باشند که حتی اگر ساختار خمیده یا پیچانده شود، بدون تحول باقی می‌همانند.

محققان نشان دادند که با منفعت گیری از این خواص در موج‌برهای فوتونی، می‌توان به دستاوردهای بزرگی رسید. به‌عبارت دقیق‌تر این پژوهش نشان داد که موج‌برهای فوتونی توپولوژیک امکان «انتقال تقریباً کامل انرژی» را فراهم می‌کنند. این چنین وقتی که شارژر کوانتومی و باتری کوانتومی در یک زیرشبکه یکسان قرار بگیرند، حداکثر انرژی قابل استخراج در برابر اتلاف انرژی در آن مکان خاص، مصون می‌شود.

این چنین در یک نتیجه‌گیری غیرمنتظره، محققان کشف کردند که «اتلاف انرژی» که طبق معمولً کارکرد را تضعیف می‌کند، می‌تواند تحت شرایط خاصی به‌طور موقت قوت شارژ را افزایش دهد. آنها دریافتند وقتی که اتلاف انرژی از یک سطح بحرانی فراتر می‌رود، قوت شارژ یک «افزایش مختصر اما قابل‌وجه» را توانایی می‌کند. این یافته این باور قدیمی که اتلاف انرژی همیشه زیان اور است را زیر سوال می‌برد.

یافته‌های این پژوهش در ژورنال Physical Review Letters انتشار شده است.