La batteria quantistica può essere la soluzione alla necessità di ricarica rapida a bassa tensione

In un nuovo esperimento di prova del principio, i ricercatori hanno dimostrato come uno strano effetto quantistico possa portare a batterie che si ricaricano più velocemente e con maggiore efficienza, stravolgendo la causa e l’effetto, secondo una ricerca pubblicata il 14 dicembre sulla rivista Physical Review Letters.

Questo curioso effetto quantistico viene a portare a un caricamento che viene, apparentemente, a infrangere il principio di causalità,

La causalità, ovvero la relazione tra causa ed effetto, non è sempre semplice nella meccanica quantistica, le strane regole che governano il mondo dell’infinitesimamente piccolo. Quello che cercheremo di spiegarvi successivamente non è per nulla semplice, e perdonateci se, talvolta, non saremo immediatamente intuitivi nello spiegarvi la teoria sperimentata.

“Normalmente, se l’evento A viene prima e causa l’evento B, si presume che B non possa a sua volta causare A allo stesso tempo”, ha spiegato a Live Science il co-first author Yuanbo Chen, fisico dell’Università di Tokyo. “Tuttavia, i recenti progressi della fisica teorica propongono che, in determinati contesti, gli scenari in cui ‘A causa B’ e ‘B causa A’ potrebbero essere contemporaneamente veri”.

Il principio della sovrapposizione quantistica consente alle particelle di esistere in molti stati diversi contemporaneamente, almeno fino a quando non vengono osservate e “scelgono” uno stato in cui approdare.

Qualsiasi proprietà di un oggetto quantistico (come la sua quantità di moto, la sua posizione o, nel famoso caso dell’ipotetico gatto di Erwin Schrödinger, il fatto che sia vivo o meno) può esistere in superposizione – un insieme probabilistica di ogni stato possibile che collassa in un risultato definito solo quando l’oggetto viene osservato.

Questa consapevolezza ha portato i fisici a condurre tutti i tipi di esperimenti bizzarri che contraddicono le nostre nozioni intuitive di ciò che dovrebbe essere possibile, compresi quelli in cui una singola particella può esistere e non esistere in molti luoghi diversi allo stesso tempo.

Ma la superposizione non solo mette in crisi il nostro senso intuitivo dello spazio, ma anche il nostro senso di causalità. Nel 2009, i fisici hanno utilizzato un dispositivo chiamato interruttore quantistico per osservare un fenomeno chiamato ordine causale indefinito. Inviando una particella di luce, o fotone, lungo una coppia di percorsi divergenti, i fisici hanno fatto in modo che si dividesse in due possibili versioni di se stessa: una che percorreva il primo percorso e l’altra il secondo.

Poi, a seconda del percorso seguito dal fotone, i fisici hanno applicato due processi diversi in un ordine diverso a seconda del percorso. Il risultato era un fotone con una causalità confusa: si trovava in una sovrapposizione quantistica in cui entrambi gli ordini di eventi erano veri.

“Diciamo che abbiamo due processi: A e B”, ha detto Chen. “Con un interruttore quantistico, è possibile creare una sovrapposizione di (prima applica A e poi B) e (prima applica B e poi A)”.

Chen e i suoi colleghi si sono chiesti se fosse possibile incorporare questo sistema in una batteria quantistica, un dispositivo proposto che potrebbe teoricamente immagazzinare l’energia dei fotoni e caricarsi più velocemente delle batterie elettrochimiche convenzionali.

Hanno confrontato tre metodi di ricarica: collegando due caricabatterie a una batteria in modo sequenziale, simultaneo o in una sovrapposizione che rendeva impossibile distinguere l’ordine di inserimento.

I loro calcoli hanno dimostrato che il metodo della sovrapposizione consentirebbe a un caricabatterie a bassa potenza e con distribuzione delle probabilità causale di fornire più energia in modo più efficiente rispetto a un caricabatterie convenzionale ad alta potenza.

Hanno seguito i loro calcoli con un esperimento di prova del principio utilizzando la luce. Inviando i fotoni attraverso un interruttore quantistico con due possibili percorsi, i ricercatori hanno diviso le particelle di luce in due possibili versioni di se stesse, ognuna delle quali percorreva un percorso diverso.

Poi, dopo aver sottoposto la luce a due input che la polarizzavano in un ordine diverso (A poi B o B poi A) in base al percorso che stavano percorrendo, i ricercatori hanno misurato la polarizzazione alla fine e hanno scoperto che i singoli fotoni erano stati distribuiti in modo casuale sui diversi percorsi.

Dopo aver testato il loro protocollo, gli scienziati affermano che la loro prossima sfida è quella di creare una batteria quantistica fisica in grado di mantenere una carica. Tuttavia, la prima prova sperimentale di una batteria quantistica è stata pubblicata solo l’anno scorso, quindi potrebbe non avvenire a breve.

“Data la situazione attuale, caratterizzata da sforzi sperimentali limitati e dall’esplorazione teorica in corso nel regno delle batterie quantistiche, è difficile stimare una tempistica precisa per ottenere risultati conclusivi”, ha dichiarato Chen.