Door gebruik te maken van het quantumfenomeen onbepaalde causale volgorde, kunnen quantumbatterijen efficiënter worden opgeladen.

Quantumbatterijen zouden efficiënter opgeladen kunnen worden door de klassieke wetten van de causaliteit te omzeilen, aldus promovendus Yuanbo Chen van de Universiteit van Tokio en zijn collega’s. Ze analyseerden of een bijzonder quantumfenomeen een rol zou kunnen spelen bij het aandrijven van quantumbatterijen. Dat zijn batterijen die quantumeffecten benutten om energie op te slaan. De resulataten worden gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters.

Onbepaalde causale orde

Klassieke causaliteit gaat slechts in één richting: als gebeurtenis A gebeurtenis B veroorzaakt, dan kan B niet ook A veroorzaken. Maar volgens Chen kan het op quantumschaal soms onmogelijk zijn om de richting van de causaliteit te bepalen. Dit fenomeen heet onbepaalde causale volgorde. Beide richtingen van causaliteit kunnen in een speciale quantumsuperpositie worden geplaatst, waarbij beide en geen van beide richtingen tegelijkertijd waar zijn.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Chen en zijn collega’s pasten dit idee toe op twee laders die een quantumbatterij van stroom voorzien. Ze berekenden voor drie verschillende situaties hoeveel energie de batterij erbij zou krijgen, en hoe efficiënt hij opgeladen zou worden. In de eerste situatie werden de laders na elkaar aangesloten, terwijl in de tweede situatie de laders de batterij tegelijkertijd van stroom voorzagen. In de laatste situatie was het onmogelijk om te zien welke lader de batterij oplaadde, omdat deze twee causaliteiten zich in superpositie bevonden.

Deze laatste aanpak gaf de batterij de meeste energie op de meest efficiënte manier, zelfs als de verbinding tussen de laders en de batterijen relatief zwak was. Om te testen of hun idee ook echt werkt, voerden Chen en zijn collega’s een proof-of-principle-experiment uit met quantumlicht. Hieruit bleek dat dit onbepaalde causaliteitsprotocol inderdaad kan worden geïmplementeerd met een quantumschakelaar. Ze hebben dit alleen nog niet direct getest met het opladen van een volwaardige quantumbatterij.

Opwindende bevinding

Quantumwetenschapper Giulio Chiribella van de Universiteit van Hong Kong in China, wiens team de quantumschakelaar in 2009 introduceerde om te laten zien hoe onbepaalde causaliteit werkt, reageert positief. Hij zegt dat het opwindend is om te zien dat zo’n schakelaar onderdeel zou kunnen zijn van iets nuttigs, zoals het opladen van quantumbatterijen. ‘Het is absoluut een spannend nieuw idee en een treffende illustratie dat fundamentele ideeën over quantumtheorie tot praktische toepassingen kunnen leiden’, aldus Chiribella.

Hoewel het nieuwe werk van Chen en zijn collega’s intrigerend is, zal in toekomstige experimenten duidelijk moeten worden of en hoeveel onbepaalde causale volgorde kan schelen voor quantumbatterijen, reageert quantumwetenschapper Maciej Lewenstein van het Instituut voor Fotonische Wetenschappen in Castelldefels in Spanje. De meeste onderzoeken naar quantumbatterijen zijn op dit moment puur theoretisch, dus het bedenken van experimenteel testbare oplaadprocedures is belangrijk, zegt hij.