量子電池

量子電池は、量子力学の原理を利用してエネルギーを蓄える電池の一種です。従来の電池よりも効率が高く、強力になる可能性があります。

量子電池は開発の初期段階にあります。[ 1 ]

歴史

量子電池の概念は2013年に初めて提案されました。[ 2 ]量子電池によって生成できる仕事量はエルゴトロピーと呼ばれます。[ 3 ]量子もつれなどを使用して電池と電力を供給されるデバイスを分離できないようにすることで、蓄えられた量よりも多くの電池出力が可能になります。[ 3 ]

量子電池の最初のモデルは、2018年に提案されたディッケモデルでした。[ 4 ]当初、ディッケ量子電池は充電電力において量子優位性を示すように見えました。しかし、2020年に、電池のハミルトニアンを調整する必要があることが実証されました。研究者たちは、ディッケ量子電池は実際には量子優位性を提供しないことを発見しました。[ 5 ]

2020年に提案されたSYK量子電池は、充電プロセスにおいて量子的利点を示す最初の多体量子電池である。[ 6 ]

量子電池に関する実験はまだ初期段階にあり、現在のところ完全に機能する量子電池は存在しません。

モデル

ディッケ量子電池

ディッケ量子電池は、ディッケモデルを用いてエネルギーを蓄えます。この電池は、超放射との関連性と実用性 から初めて提案されました。

ディッケモデルは、N個の2準位原子（TLS）の集団と単一モードの共振器場との集団相互作用を記述する。共振器は通常、光を往復反射する2つ以上の鏡で構成され、共振器の形状によって周波数が決まる 電磁放射の定在波を生成する。

Hディッケ＝ωc1つの^†1つの^+ω0∑私＝1北σ^私z+グラム∑私＝1北σ^私×（1つの^†+1つの^）{\displaystyle H_{\text{Dicke}}=\omega _{c}{\hat {a}}^{\dagger }{\hat {a}}+\omega _{0}\sum _{i=1}^{N}{\hat {\sigma }}i^{z}+g\sum _{i=1}^{N}{\hat {\sigma }}_{i}^{x}\left({\hat {a}}^{\dagger }+{\hat {a}}\right)}

最初の項は光子のエネルギーを表します。2番目の項は量子ビットのエネルギーを表します。3番目の項は光子と量子ビットの相互作用を表します。は結合パラメータです。このモデルは当初、平均充電電力が超延的にスケーリングされることを示しているように見えました。しかし、このハミルトニアンは熱力学的極限（一定を保ちながら）では明確に定義されていません。 グラム{\displaystyle g}⟨P⟩t∝北3/2{\displaystyle \langle P\rangle _{t}\propto N^{3/2}}N→∞,V→∞{\displaystyle N\to \infty ,V\to \infty }N/V{\displaystyle N/V}

これを修正するには、次のものを代用する必要があります。そうすることで、科学者たちはこのバッテリーが量子的な利点をもたらさないことを発見しました。 g→gTD=gN{\displaystyle g\to g_{\text{TD}}={\frac {g}{\sqrt {N}}}}

SYK量子バッテリー

SYK量子電池は、Sachdev-Ye-Kitaevモデルを用いてエネルギーを蓄えます。この電池は直接充電プロトコルを採用しています。 HB(t)=HB(0)+λ(t)(HB(1)−HB(0)){\displaystyle H_{B}(t)=H_{B}^{(0)}+\lambda (t)\left(H_{B}^{(1)}-H_{B}^{(0)}\right)}

  • HB(0)=∑i=0Nω0σ^iy{\displaystyle H_{B}^{(0)}=\sum _{i=0}^{N}\omega _{0}{\hat {\sigma }}_{i}^{y}} バッテリーハミルトニアン
  • HB(1)=∑i,j,k,l=1NJi,j,k,lc^i†c^j†c^kc^l{\displaystyle H_{B}^{(1)}=\sum _{i,j,k,l=1}^{N}J_{i,j,k,l}{\hat {c}}_{i}^{\dagger }{\hat {c}}_{j}^{\dagger }{\hat {c}}_{k}{\hat {c}}_{l}}相互作用ハミルトニアンです。

超広範囲充電パワーを発揮する初の多体型モデルです。⟨P⟩t∝N3/2{\displaystyle \langle P\rangle _{t}\propto N^{3/2}}

参考文献

  1. ^ Niroula, Pradeep. 「量子電池は光からエネルギーを収穫する」physicsworld .
  2. ^ Alicki, Robert; Fannes, Mark (2013-04-25). 「量子電池アンサンブルからの抽出可能な仕事に対するエンタングルメントブースト」 . Physical Review E. 87 ( 4) 042123. arXiv : 1211.1209 . Bibcode : 2013PhRvE..87d2123A . doi : 10.1103/PhysRevE.87.042123 . PMID 23679388 . 
  3. ^ a bパダヴィック＝キャラハン、カルメラ（2024年11月9日）「量子電池は蓄電量よりも多くのエネルギーを出力する」ニューサイエンティスト誌：19ページ。
  4. ^フェラーロ、ダリオ;カンピシ、ミケーレ。アンドリーナ、ジャン・マルチェロ。ペッレグリーニ、ヴィットリオ。ポリーニ、マルコ (2018-03-15)。「固体量子電池の高出力一括充電」。物理的なレビューレター。120 (11) 117702.arXiv : 1707.04930。ビブコード: 2018PhRvL.120k7702F。土井：10.1103/PhysRevLett.120.117702。PMID 29601745。 
  5. ^ジュリア＝ファレ、セルジ;サラモン、ティモテウシュ。リエラ、アルナウ。ベラ、マナベンドラ N. Lewenstein、Maciej (2020-05-01)。「量子電池の容量と電力の限界」。フィジカルレビューリサーチ。2 (2) 023113.arXiv : 1811.04005。ビブコード: 2020PhRvR...2b3113J。土井: 10.1103/PhysRevResearch.2.023113。
  6. ^ Rossini, Davide; Andolina, Gian Marcello; Rosa, Dario; Carrega, Matteo; Polini, Marco (2020-12-02). 「Sachdev-Ye-Kitaev電池の充電過程における量子的優位性」 . Physical Review Letters . 125 (23) 236402. arXiv : 1912.07234 . Bibcode : 2020PhRvL.125w6402R . doi : 10.1103/PhysRevLett.125.236402 . PMID 33337187 . 
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