De nouvelles recherches identifient des limites fondamentales à la fiabilité des batteries quantiques et montrent comment les stratégies de charge peuvent concilier une puissance élevée avec une livraison stable d’énergie et de puissance. Ces résultats constituent une étape importante vers le développement futur de dispositifs de stockage d’énergie quantiques pratiques et utiles.
L’incertitude quantique impose un compromis fondamental dans les batteries quantiques, limitant leur capacité à fournir en même temps une puissance stable et une énergie fiable.
Les batteries quantiques constituent un domaine de recherche émergent, qui progresse grâce à des études théoriques et à des expériences de principe menées sur de petits systèmes quantiques. Contrairement aux batteries chimiques classiques utilisées au quotidien, elles ont recours à des systèmes quantiques pour stocker et transférer l’énergie. Elles sont étudiées comme sources d’énergie potentielles pour les processeurs quantiques et d’autres technologies quantiques. Les recherches antérieures se sont principalement intéressées à la vitesse et à la puissance avec lesquelles les batteries quantiques peuvent être chargées.
Dans ces nouveaux travaux, les chercheurs établissent des limites fondamentales aux fluctuations de l’énergie délivrée par une batterie quantique et de la vitesse à laquelle elle est délivrée.
« Une batterie quantique idéale ne devrait pas seulement être rapide et puissante : elle doit aussi se charger ou délivrer de l’énergie de manière fiable et stable, et ce en même temps. Nos travaux montrent que la mécanique quantique impose des limites fondamentales à la fiabilité des batteries quantiques », déclare Brij Mohan, chercheur postdoctoral à l’université d’Oulu et premier auteur de l’étude.
Les chercheurs montrent que la célèbre relation d’incertitude de la mécanique quantique empêche de rendre simultanément arbitrairement petites les fluctuations de l’énergie et de la puissance délivrées, ce qui signifie qu’une livraison fiable de l’énergie et une puissance stable ne peuvent pas être obtenues en même temps. Dans ce contexte, fiabilité et stabilité signifient maintenir ces fluctuations faibles par rapport à leurs valeurs moyennes respectives. Ce compromis fondamental découle du fait que le travail et la puissance sont représentés par des opérateurs qui ne commutent pas dans les batteries quantiques fermées, un peu comme la position et la quantité de mouvement en mécanique quantique.
L’équipe a ensuite étudié comment ce compromis dépend de la manière dont de nombreuses cellules de batterie quantique sont chargées. En charge parallèle, les cellules fonctionnent indépendamment. En charge collective, toutes les cellules participent ensemble. La charge hybride se situe entre ces deux extrêmes, avec des groupes de cellules qui interagissent pendant la charge. Les résultats montrent qu’une charge collective plus forte augmente la puissance, mais aussi les fluctuations de puissance, réduisant ainsi la fiabilité de la puissance. Cela indique que la puissance maximale seule ne suffit pas à évaluer les performances d’une batterie quantique.
« Nos résultats montrent qu’il existe un moyen pertinent d’équilibrer l’amélioration de la puissance et la fiabilité du travail et de la puissance. Un schéma de charge fondé sur des interactions à portée intermédiaire peut offrir un compromis utile entre puissance élevée et fonctionnement stable », déclare Tanmoy Pandit, VTT, Espoo, Finlande.
Les chercheurs ont également examiné des batteries quantiques présentant des interactions à plusieurs corps de type Ising transverse et ont trouvé le même compromis qualitatif entre puissance et fiabilité, ce qui indique que l’effet ne se limite pas au modèle théorique le plus simple. « Les limites de fiabilité relient directement les fluctuations quantiques à la physique quantique à plusieurs corps. Elles fournissent des stratégies de charge utiles et avantageuses en pratique », déclare Manabendra Nath Bera, IISER Mohali, Inde.
« Les batteries quantiques offrent un lien fascinant entre l’information quantique, la thermodynamique et la physique à plusieurs corps. Comprendre leurs fluctuations est essentiel si ces systèmes doivent un jour devenir des ressources technologiques utiles », déclare Maciej Lewenstein, ICFO, Espagne.
Les chercheurs souhaitent désormais étudier ces limites de fiabilité dans des contextes plus réalistes, notamment le bruit, la dissipation, la dynamique des systèmes ouverts et des plateformes quantiques pertinentes sur le plan expérimental.
Les batteries quantiques s’inscrivent dans la continuité de la recherche de long terme menée par l’unité de recherche Nano and Molecular Systems de l’université d’Oulu sur la modélisation et la théorie des dispositifs quantiques, tels que les qubits supraconducteurs et les processeurs quantiques.
Article : Fundamental Limitations on the Reliabilities of Power and Work in Quantum Batteries – Journal : PRX Quantum – DOI : Lien vers l’étude
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