Quantenbatterie: Ist das die Zukunft der Batterietechnologie?

Kausalität ist ein wesentlicher Bestandteil unserer Wahrnehmung der Realität. Ein einfaches Beispiel: Wenn jemand ein Glas auf den Boden fallen lässt, führt das dazu, dass dieses zerbricht. Das Fallenlassen des Glases ist kausal für dessen Zerbrechen. In der Quantenwelt allerdings gelten die Regeln der Kausalität nicht uneingeschränkt. Forscher:innen haben nun demonstriert, wie dieses Abweichen von den Regeln genutzt werden kann, um Quantenbatterien zu laden.

Batterie mit Quantenphysik

Alles in allem lässt sich wohl sagen, dass Quantenbatterien mittels Paradoxen betrieben werden. Auf dem Papier funktionieren sie so, dass sie Energie im Quantenzustand von Atomen und Molekülen speichern. In einer neuen Studie stellte sich nun heraus, dass diese Quantenbatterien deshalb funktionieren könnten, weil sie die Gesetze von Ursache und Effekt verletzen – zumindest in der Form, wie wir sie kennen.

„ Current batteries for low-power devices, such as smartphones or sensors, typically use chemicals such as lithium to store charge, whereas a quantum battery uses microscopic particles like arrays of atoms. While chemical batteries are governed by classical laws of physics, microscopic particles are quantum in nature, so we have a chance to explore ways of using them that bend or even break our intuitive notions of what takes place at small scales. I’m particularly interested in the way quantum particles can work to violate one of our most fundamental experiences, that of time„, erklärt Yuanbo Chen, einer der Autoren der Studie.

In der klassischen Physik ist Kausalität linear. Um auf das oben verwendete Beispiel zurückzugreifen: Das Fallenlassen eines Glases (Ereignis A) verursacht dessen Zerspringen (Ereignis B). Die Beziehung dieser beiden Ereignisse kann nicht umgedreht werden – oder mit anderen Worten: Das Glas fiel nicht, weil es zersprungen ist. In der Quantenphysik sieht das ein bisschen anders aus: Dort gilt diese Einschränkung nicht. Das Einbeziehen dieses Paradoxons in eine Quantenbatterie könnte diese effizienter machen.

Kausale Zusammenhänge in beide Richtungen

In der Studie haben Forscher:innen der Universität Tokyo ein Laborexperiment durchgeführt, in denen Laser, Linsen und Spiegel zum Einsatz kamen, die als eine große Quantenbatterie fungierten. Diese Batterie zu laden würde normalerweise mehrere Schritte in Anspruch nehmen, die nacheinander durchgeführt werden. Allerdings machte sich das Team einen Quanteneffekt namens „indefinite causal order“ (ICO) zunutze. Dieser Effekt bedeutet, dass in einer Quantensuperposition die kausale Reihenfolge in beide „Richtungen“ gleichzeitig existieren kann. So können die verschiedenen Schritte beim Laden der Batterie gleichzeitig statt nacheinander ablaufen.

„With ICO, we demonstrated that the way you charge a battery made up of quantum particles could drastically impact its performance. We saw huge gains in both the energy stored in the system and the thermal efficiency. And somewhat counterintuitively, we discovered the surprising effect of an interaction that’s the inverse of what you might expect: A lower-power charger could provide higher energies with greater efficiency than a comparably higher-power charger using the same apparatus„, so Chen.

Die Forscher:innen gehen davon aus, dass Quantenbatterien eines Tages Realität werden könnten. Aktuell existieren sie nur in Laborexperimenten. Allerdings arbeiten weltweit Forscher:innen daran, die verschiedenen Aspekte zusammenzubringen, sodass eine im Alltag nutzbare Batterie entsteht.

via University of Tokyo

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