De nouvelles batteries quantiques stables peuvent stocker de manière fiable de l’énergie dans des champs électromagnétiques


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  • Technologies quantiques, c’est à dire dispositifs technologiques obtenus en construisant et en manipulant des systèmes mécaniques quantiques, deviennent une réalité ces derniers jours. L’exemple le plus frappant est certainement donné par les ordinateurs quantiques, où l’unité d’information, le bit, est remplacée par son homologue de mécanique quantique, officieusement appelé le qubit. Contrairement aux ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques promettent d’utiliser toutes les caractéristiques mécaniques quantiques des qubits, afin d’aborder et de résoudre des problèmes de calcul qui seraient hors de portée en utilisant des ordinateurs classiques. À titre d’exemple, la société canadienne Xanadu a récemment affirmé que son ordinateur quantique était capable de résoudre, en seulement 36 microsecondes, une tâche de calcul qui aurait nécessité 9 000 ans en utilisant des supercalculateurs à la pointe de la technologie.

    Les technologies quantiques ont besoin d’énergie pour fonctionner. Cette simple considération a conduit les chercheurs, ces dix dernières années, à développer l’idée des batteries quantiques, qui sont des systèmes de mécanique quantique utilisés comme dispositifs de stockage d’énergie. Dans un passé très récent, des chercheurs du Centre de physique théorique des systèmes complexes (PCS) au sein de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) de Corée du Sud ont été en mesure d’imposer des contraintes strictes sur les performances de charge possibles d’une batterie quantique. Plus précisément, ils ont montré qu’une collection de batteries quantiques peut conduire à une énorme amélioration de la vitesse de charge par rapport à un protocole de charge classique. C’est grâce aux effets quantiques, qui permettent aux cellules des batteries quantiques d’être chargées simultanément.

    Malgré ces acquis théoriques, les réalisations expérimentales de batteries quantiques sont encore rares. Le seul contre-exemple notable récent utilisait une collection de systèmes à deux niveaux (très similaires aux qubits qui viennent d’être introduits) à des fins de stockage d’énergie, l’énergie étant fournie par un champ électromagnétique (un laser).

    Compte tenu de la situation actuelle, il est clairement de la plus haute importance de trouver de nouvelles plateformes quantiques plus accessibles pouvant être utilisées comme batteries quantiques. Forts de cette motivation, des chercheurs de la même équipe IBS PCS, en collaboration avec Giuliano Benenti (Université d’Insubria, Italie), ont récemment décidé de revisiter un système de mécanique quantique très étudié par le passé : le micromaser. Micromaser est un système où un faisceau d’atomes est utilisé pour pomper des photons dans une cavité. En termes simples, un micromaser peut être considéré comme une configuration spéculaire au modèle expérimental de batterie quantique mentionné ci-dessus : l’énergie est stockée dans le champ électromagnétique, qui est chargé par un flux de qubits interagissant séquentiellement avec lui.

    Les chercheurs d’IBS PCS et leur collaborateur ont montré que les micromasers ont des caractéristiques qui leur permettent de servir de excellent modèles de batteries quantiques. L’une des principales préoccupations lorsque l’on essaie d’utiliser un champ électromagnétique pour stocker de l’énergie est qu’en principe, le champ électromagnétique pourrait absorber une énorme quantité d’énergie, potentiellement bien plus que ce qui est nécessaire. En faisant une analogie avec un boîtier simple, cela correspondrait à une batterie de téléphone qui, une fois branchée, continue d’augmenter sa charge indéfiniment. Dans un tel scénario, oublier que le téléphone est branché pourrait être extrêmement risqué, car il n’y aurait aucun mécanisme pour arrêter la charge.

    Heureusement, les résultats numériques de l’équipe montrent que cela ne peut pas se produire dans les micromasers. Le champ électromagnétique atteint rapidement une configuration finale (techniquement appelée régime permanent), dont l’énergie peut être déterminée et décidée a priori lors de la construction du micromaser. Cette propriété assure une protection contre les risques de surcharge.

    De plus, les chercheurs ont montré que la configuration finale du champ électromagnétique est dans une état pur, ce qui signifie qu’il n’apporte aucune mémoire des qubits qui ont été utilisés lors de la charge. Cette dernière propriété est particulièrement cruciale lorsqu’il s’agit d’une batterie quantique. Il garantit que toute l’énergie stockée dans la batterie peut être extraite et utilisée chaque fois que nécessaire, sans avoir besoin de suivre les qubits utilisés pendant le processus de charge.

    Enfin, il a été montré que ces caractéristiques attrayantes sont robustes et ne sont pas détruites en modifiant les paramètres spécifiques définis dans cette étude. Cette propriété est d’une importance évidente lorsque l’on essaie de construire une batterie quantique réelle, car les imperfections dans le processus de construction sont tout simplement inévitables.

    Fait intéressant, dans une série d’articles parallèles, Stefan Nimmrichter et ses collaborateurs ont montré que les effets quantiques peuvent rendre le processus de charge du micromaser plus rapide que la charge classique. En d’autres termes, ils ont pu montrer la présence de l’avantage quantique évoqué précédemment lors de la charge d’une batterie micromaser.

    Tous ces résultats suggèrent que le micromaser pourrait être considéré comme une nouvelle plateforme prometteuse pouvant être utilisée pour construire des batteries quantiques. Le fait que ces systèmes soient déjà mis en œuvre dans des réalisations expérimentales depuis de nombreuses années pourrait donner un sérieux coup de pouce à la construction de nouveaux prototypes accessibles de batteries quantiques.

    À cette fin, les chercheurs d’IBS PCS et Giuliano Benenti démarrent actuellement une collaboration conjointe avec Stefan Nimmrichter et ses collaborateurs, pour explorer plus avant ces modèles prometteurs. L’espoir est que cette nouvelle collaboration de recherche sera enfin en mesure de comparer et de tester expérimentalement les performances des dispositifs de batterie quantique à base de micromaser.

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