L'avènement de la batterie quantique topologique

Des chercheurs du RIKEN du Centre d’informatique quantique et de l’Université des sciences et technologies de Huazhong ont réalisé une analyse théorique démontrant comment une « batterie quantique topologique » – un dispositif innovant qui exploite les propriétés topologiques des guides d’ondes photoniques et les effets quantiques des atomes à deux niveaux – pourrait être conçue de manière efficace. Ces travaux, publiés dans Physical Review Letters, sont prometteurs pour des applications dans le domaine du stockage de l’énergie à l’échelle nanométrique, de la communication quantique optique et de l’informatique quantique distribuée.

Avec la prise de conscience mondiale de l’importance de la durabilité environnementale, le développement de dispositifs de stockage d’énergie de nouvelle génération est devenu une priorité essentielle. Les batteries quantiques, dispositifs miniatures hypothétiques qui, contrairement aux batteries classiques qui stockent l’énergie par le biais de réactions chimiques, reposent sur des propriétés quantiques telles que la superposition, l’enchevêtrement et la cohérence, ont le potentiel d’améliorer le stockage et le transfert d’énergie. D’un point de vue mécanique, elles offrent des avantages potentiels en termes de performances par rapport aux batteries classiques, notamment une meilleure puissance de charge, une capacité accrue et une efficacité supérieure en termes d’extraction de travail.

Bien que diverses propositions de batteries quantiques aient été avancées, la réalisation pratique de tels dispositifs reste difficile. Dans les scénarios pratiques impliquant la charge et la dissipation d’énergie à distance, les batteries quantiques sont considérablement affectées par la perte d’énergie et la décohérence, un problème courant dans les dispositifs quantiques où un système quantique perd ses propriétés clés, telles que l’intrication et la superposition, ce qui se traduit par des performances sous-optimales. En ce qui concerne la perte d’énergie, dans les systèmes photoniques qui utilisent des guides d’ondes non topologiques – c’est-à-dire des guides d’ondes qui sont affectés par une courbure, par exemple – pour canaliser les photons, l’efficacité du stockage de l’énergie est considérablement réduite en raison de la dispersion des photons à l’intérieur du guide d’ondes. Parmi les autres obstacles, citons la dissipation environnementale, le bruit et le désordre, qui induisent tous une décohérence et dégradent les performances des batteries.

Dans l’étude actuelle, l’équipe de recherche conjointe a utilisé des méthodes analytiques et numériques dans un cadre théorique pour relever deux défis de longue date qui ont entravé les performances pratiques des piles quantiques. En tirant parti des propriétés topologiques – caractéristiques d’un matériau qui restent inchangées sous l’effet de déformations continues telles que la torsion ou la flexion – ils ont démontré qu’il était possible d’obtenir une immunité parfaite des batteries quantiques en matière de charge et de dissipation sur de longues distances. De manière surprenante, ils ont découvert que la dissipation, généralement considérée comme nuisible aux performances des batteries, peut également être utilisée pour améliorer la puissance de charge des batteries quantiques de manière transitoire.

Ils ont démontré plusieurs avantages clés qui pourraient rendre les batteries quantiques topologiques réalisables pour des applications pratiques. Une découverte cruciale est qu’il est possible d’obtenir un transfert d’énergie presque parfait en exploitant les propriétés topologiques des guides d’ondes photoniques. L’autre découverte notable est que lorsque le chargeur et la batterie sont placés au même endroit, le système présente une immunité de dissipation confinée à un seul sous-réseau. En outre, l’équipe de recherche a révélé que lorsque la dissipation dépasse un seuil critique, la puissance de charge subit une amélioration transitoire, ce qui rompt avec l’idée conventionnelle selon laquelle la dissipation nuit toujours aux performances.

« Notre recherche apporte de nouvelles perspectives d’un point de vue topologique et nous donne des indications sur la réalisation de dispositifs de stockage de micro-énergie à haute performance. En surmontant les limites de performance des batteries quantiques causées par la transmission et la dissipation de l’énergie sur de longues distances, nous espérons accélérer le passage de la théorie à l’application pratique des batteries quantiques », a déclaré Zhi-Guang Lu, premier auteur de l’étude. « Cheng Shang, l’auteur correspondant de l’équipe de recherche internationale, ajoute : « Nous continuerons à travailler pour combler le fossé entre l’étude théorique et le déploiement pratique des dispositifs quantiques, ouvrant ainsi la voie à l’ère quantique que nous envisageons depuis longtemps ».