Kausalität ist der Schlüssel zu unserer Erfahrung der Realität: Wenn beispielsweise ein Glas zerbricht, zerspringt es, es kann also nicht zerbrochen sein, bevor es zersplittert ist. Aber in der Quantenwelt gelten diese Regeln nicht unbedingt, und Wissenschaftler haben nun gezeigt, wie man diese Seltsamkeit ausnutzen kann, um eine Quantenbatterie aufzuladen.
In gewisser Weise werden Quantenbatterien von einem Paradoxon angetrieben. Auf dem Papier funktionieren sie, indem sie Energie in Quantenzuständen von Atomen und Molekülen speichern – und sobald das Wort „Quanten“ fällt, weiß man natürlich, dass etwas Seltsames passieren wird. In diesem Fall kommt eine neue Studie zu dem Ergebnis, dass Quantenbatterien funktionieren können, indem sie unser Wissen über Ursache und Wirkung verletzen.
Chen Yuanbo, Autor der Studie, sagte: „Aktuelle Batterien, die in Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Smartphones oder Sensoren verwendet werden, verwenden typischerweise Chemikalien wie Lithium, um Ladung zu speichern, während Quantenbatterien mikroskopische Partikel wie Anordnungen von Atomen verwenden. Chemische Batterien unterliegen den Gesetzen der klassischen Physik, während mikroskopische Partikel von Natur aus Quanten sind, sodass wir die Möglichkeit haben, Möglichkeiten zu erkunden, wie wir sie nutzen können, um unsere intuitiven Vorstellungen davon, was in kleinen Maßstäben geschieht, zu verbiegen oder sogar zu brechen. Mich interessiert besonders, wie Quantenpartikel eine unserer grundlegendsten Erfahrungen verletzen: Zeit.“
In der klassischen Physik, der Art von Physik, die wir in der großen Welt erleben, sind Ursache und Wirkung eindeutig linear. Zurück zur vorherigen Analogie: Das Fallenlassen eines Glases (Ereignis A) führt dazu, dass das Glas zerspringt (Ereignis B), aber Sie können die Beziehung zwischen den beiden Ereignissen nicht umkehren. Das Glas fiel nicht, weil es zerbrochen war. Aber im Geisterreich der Quantenphysik gilt diese Einschränkung nicht. Die Integration dieses Paradoxons in Quantenbatterien könnte dazu beitragen, deren Effizienz zu steigern.
In der neuen Studie führten Wissenschaftler der Universität Tokio ein Laborexperiment durch, bei dem sie Laser, Linsen und Spiegel als große Quantenbatterie verwendeten. Das Laden dieser Batterien erfordert normalerweise mehrere Ladestufen, die nacheinander ablaufen, aber hier machte sich das Forschungsteam einen Quanteneffekt zunutze, der als unbestimmte Kausalordnung (ICO) bezeichnet wird. Sobald sie das System in die Quantenüberlagerung gebracht hatten, könnte die kausale Ordnung im Grunde in beide Richtungen gleichzeitig bestehen, sodass mehrere Ladeschritte gleichzeitig und nicht nacheinander ablaufen könnten.
„Mit ICO haben wir gezeigt, dass die Art und Weise, wie eine aus Quantenteilchen bestehende Batterie geladen wird, ihre Leistung stark beeinflussen kann“, sagte Chen. „Wir fanden enorme Verbesserungen sowohl bei der im System gespeicherten Energie als auch bei der thermischen Effizienz. Und etwas kontraintuitiv fanden wir einen überraschenden Effekt einer Wechselwirkung, der das Gegenteil von dem war, was erwartet wurde: Ein Ladegerät mit geringer Leistung könnte mehr Energie liefern und gleichzeitig effizienter sein als ein Ladegerät mit hoher Leistung, das dasselbe Gerät verwendet.“
Für die meisten Menschen mag es schwer zu verstehen sein, aber Quantenbatterien könnten eines Tages Realität werden. Derzeit existieren sie nur als Laborexperimente, aber Wissenschaftler testen langsam verschiedene Aspekte davon, mit dem ultimativen Ziel herauszufinden, wie sich die Teile in ein funktionierendes Ganzes integrieren lassen.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.