Natuurkundigen hebben een baanbrekende methode ontwikkeld waarmee de tijdspijl in quantumsystemen effectief kan worden omgekeerd. Deze ontdekking zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het oogsten van energie en het opladen van quantumbatterijen, zo blijkt uit recent onderzoek.
Tijdspijl in de quantumwereld
In ons dagelijks leven lijken gebeurtenissen zich altijd in één richting te voltrekken, volgens een schijnbaar onverbiddelijke tijdspijl. Toch werken de meeste natuurkundige wetten en vergelijkingen ongeacht of de tijd vooruit of achteruit stroomt. Volgens newscientist.com hebben natuurkundigen verschillende verklaringen voor deze discrepantie tussen de waargenomen voorwaartse tijdspijl en de theoretisch toegestane tweerichtingsstroom.
De tweede hoofdwet van de thermodynamica stelt bijvoorbeeld dat systemen in de loop van de tijd waarschijnlijker wanordelijk worden, wat een voorkeursrichting voor tijd creëert. In de quantumwereld wordt de tijdspijl echter anders gedefinieerd. Quantumprocessen kunnen, net als klassieke natuurkundige wetten, in beiderichtingen verlopen, maar we kunnen een tijdspijl bepalen door onze metingen van een quantumsysteem te vergelijken met berekeningen van hoe dat systeem zou moeten veranderen.
Doorbraak van Los Alamos
Luis Pedro García-Pintos van Los Alamos National Laboratory in New Mexico en zijn collega's hebben nu een manier gevonden om deze statistische signatuur na te bootsen. Volgens bode-living.com bereiken ze dit door de veranderingen die metingen aan een quantumsysteem aanbrengen te reverse-engineeren en effectief ongedaan te maken. Voor een waarnemer lijkt het alsof het quantumsysteem achteruit in de tijd loopt.
"We passen velden en controle-instrumenten toe op het systeem die kunnen terugdraaien wat er gebeurt door de metingen," legt García-Pintos uit in het onderzoek. "Als de meting mijn systeem omhoog zou duwen, kan ik het weer naar beneden laten gaan. Omdat we de effectieve metingen kunnen tegengaan, kunnen we trajecten produceren die meer consistent zijn met een proces dat achteruit dan vooruit verloopt."
Toepassing in quantumbatterijen
De onderzoekers suggereren dat deze techniek zou kunnen worden toegepast op qubits, de computationele basiseenheden van quantumcomputers. Door de tijdspijl te manipuleren, zouden quantumbatterijen op nieuwe manieren energie kunnen oogsten. Eerder onderzoek van de ucalgary.ca toonde al aan dat quantumbatterijen significant sneller kunnen opladen dan klassieke batterijen door gebruik te maken van quantumeffecten.
Volgens livescience.com kunnen quantumbatterijen zelfs sneller opladen door de regels van oorzaak en gevolg te doorbreken. In de quantumwereld hoeft de lading niet noodzakelijkerwijs in één richting te stromen, zoals bij het opladen van een smartphone. Deze fundamenteel andere benadering opent nieuwe mogelijkheden voor energieopslag.
Dephasing en optimaal laden
Recent onderzoek gepubliceerd in nature.com toonde aan dat gecontroleerde dephasing – een vorm van quantumruis – kan leiden tot sneller opladen van quantumbatterijen. Terwijl de batterij coherente, onderdempte energieoscillaties vertoont bij zwakke dephasing, onderdrukt het quantum-Zeno-effect bij sterke dephasing juist de energieoverdracht. Het kiezen van een optimale dephasing-snelheid tussen deze regimes leidt tot het snelst mogelijke opladen.
Praktische implicaties
De nieuwe methode om tijd effectief om te keren in quantumsystemen biedt niet alleen mogelijkheden voor sneller opladen, maar maakt het laadproces ook robuuster tegen verstemming tussen de frequenties van de lader, aandrijving en batterij. Dit is vooral relevant voor systemen gebaseerd op twee-niveau-systemen.
De onderzoekers benadrukken dat hun techniek universeel toepasbaar is en werkt voor verschillende soorten quantumsystemen, waaronder zowel twee-niveau-systemen als harmonische oscillatoren. Dit maakt de methode breed inzetbaar voor toekomstige quantumtechnologieën.
Hoewel quantumbatterijen nog in een experimenteel stadium verkeren, zou deze doorbraak een belangrijke stap kunnen zijn naar praktische toepassingen van quantumenergieopslag. De mogelijkheid om de tijdspijl te manipuleren opent fundamenteel nieuwe wegen voor energieoogst en -opslag die onmogelijk zijn in klassieke systemen.