Wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om quantumbatterijen uniform op te laden, waarbij de inherente willekeur van quantummechanica wordt geneutraliseerd. Door specifieke toestanden van de lader te gebruiken, kunnen energiefluctuaties volledig worden geëlimineerd.
In de wereld van de quantumfysica vormt de onvoorspelbaarheid van processen een aanzienlijke hindernis voor de ontwikkeling van praktische technologieën. Een van de meest prominente uitdagingen is het opladen van quantumbatterijen. Tot voor kort was de rol van verstrengeling bij dit proces onvoldoende begrepen, en de intrinsieke quantum-randomness zorgde ervoor dat de hoeveelheid opgeslagen energie per oplaadbeurt kon variëren.
Een systeem van drie qubits
In een recent onderzoek, gepubliceerd op 22 oktober 2026, presenteren Longyan Gong, Jing Zhang en Yongtao Li een nieuwe benadering om deze ongelijkmatigheid aan te pakken. De onderzoekers bestudeerden een systeem dat bestaat uit drie qubits binnen een zogenaamd 'cascaded collision frame'. In deze opstelling fungeren twee van de qubits als de lader, terwijl de derde qubit de rol van de batterij vervult.
Volgens de publicatie op arxiv.org wordt er na elke botsing in het systeem een adaptieve meting op de lader uitgevoerd. Dit proces resulteert in vier verschillende conditionele toestanden van de batterij na de meting. Het cruciale aspect van deze methode is dat al deze toestanden een identieke verwachte hoeveelheid opgeslagen energie hebben, wat de basis legt voor een stabieler oplaadproces.
De rol van Bell-achtige toestanden
De kern van het onderzoek richt zich op de vraag welke toestanden van de lader leiden tot een flucturatievrije energietoevoer. De wetenschappers hebben analytische formules afgeleid voor de terugkerende relatie van de opgeslagen energie bij willekeurige vaste lader-toestanden. Hieruit bleek dat de fluctuaties in de opgeslagen energie afhankelijk zijn van of de dynamiek van het systeem steunt op de fase van de batterij, aangeduid als $\gamma_n$.
Het onderzoeksteam identificeerde twee families van 'Bell-achtige' verstrengelde toestanden. Wanneer deze, samen met specifieke computationele basistoestanden — die door de auteurs 'Bell-achtige separabele toestanden' worden genoemd — worden ingezet, wordt de dynamiek onafhankelijk van de batterijfase $\gamma_n$. In deze specifieke scenario's verdwijnen de fluctuaties volledig. Voor andere typen verstrengelde of separabele toestanden bleken de fluctuaties echter wel aanwezig te blijven, zoals beschreven in de .
Implicaties voor toekomstige architecturen
Deze ontdekking biedt een nieuw paradigma voor het ontwerpen van quantum-batterijarchitecturen. Door de lader-toestanden nauwkeurig te engineeren, kunnen wetenschappers systemen bouwen die een uniforme oplading garanderen, ondanks de fundamentele willekeur die inherent is aan quantumprocessen.
Het werk van Gong en collega's, ingediend onder de categorieën Quantum Physics en Mesoscale and Nanoscale Physics op , draagt bij aan het begrip van hoe verstrengeling kan worden ingezet om technische beperkingen in quantumopslag te overwinnen. Hoewel de resultaten theoretisch van aard zijn, leggen ze de basis voor de fysieke realisatie van stabiele quantumenergiebronnen.
De volledige details van de wiskundige bewijsvoering en de recurrence-relaties zijn beschikbaar in de , waarin de overgang van fluctuerende naar stabiele energietoestanden gedetailleerd wordt uitgewerkt. Hiermee wordt een belangrijke stap gezet richting voorspelbare energieoverdracht op nanoschaal.