東京大学と北京計算科学研究センターの研究チームは、従来の化学電池とは根本的に異なる、量子力学的現象を利用して、電力を獲得、分配、貯蔵する「量子バッテリー」の性能を向上させ、これの実現に繋がる画期的な成果を発表している。
量子力学はミクロの科学であり、しばしば我々の常識や直感に挑戦する。しかし、量子力学は、古典物理学の限界を超えた技術革新の新たな可能性も提供している。その可能性のひとつが量子バッテリーである。量子現象を利用することで、従来の電池よりも効率的にエネルギーを貯蔵、伝達、供給することができるこの次世代バッテリーは、夢のエネルギー貯蔵ソリューションとして研究が進められている。。
量子バッテリー
量子バッテリーはまだ研究レベルの段階だ。しかし将来的に、スマート・デバイスやセンサー、さらには電気自動車など、低消費電力でポータブルなエネルギー源を必要とする分野に革命をもたらす可能性を秘めている。
リチウムのような物質に依存する化学電池とは異なり、量子バッテリーは原子や光子のような小さな粒子を使い、その量子状態でエネルギーを蓄える。
東京大学と北京計算科学研究センターの研究者らは、通常の時間や因果関係の概念を覆す量子効果を利用することで、量子バッテリーの設計と運用に画期的な進歩をもたらしたことを、『Physical Review Letters』誌に掲載された研究で報告している。この研究成果は、実用的な量子バッテリーの実現に近づくものである。
東京大学大学院工学系研究科情報通信工学専攻のYuanbo Chen氏と長谷川禎彦准教授が率いる研究チームは、量子バッテリーを最も効率よく充電する方法を研究した。研究チームは、レーザーやミラーなどの光学装置を用いて、電池内の粒子の量子状態を操作した。
不確定因果秩序
彼らの成功の鍵は、事象が異なる時間的順序の重ね合わせで発生することを可能にする量子効果「不確定因果秩序（ICO）」を利用する事にあった。言い換えれば、ICOとは、事象Aが事象Bを引き起こし、事象Bが同時に事象Aを引き起こす可能性があることを意味する。これは、因果関係が明確で固定された方向に従う古典的世界では不可能なことである。
この一見逆説的な相互作用は、驚くべき結果をもたらした。ICOベースの充電は、バッテリーのエネルギー貯蔵能力を高め、エネルギー効率を大幅に改善した。つまり、低出力の充電でも同じ条件下で高出力の充電よりも多くのエネルギーを供給し、より優れた性能を発揮できるようになったのだ。
「スマートフォンやセンサーのような低電力デバイス用の現在のバッテリーは、通常、電荷を蓄えるためにリチウムのような化学物質を使用しますが、量子バッテリーは原子の配列のような微小粒子を使用します。化学電池は古典的な物理法則に支配されていますが、微小粒子は量子的な性質を持っているため、小さなスケールで何が起こっているのかという直感的な概念を曲げたり、あるいは壊したりするような使い方を探求するチャンスがあります。私は特に、量子粒子が私たちの最も基本的な経験のひとつである “時間”に反する働きをすることに興味があります」とChen氏は言う。
Chen氏は、ICOを通じて、量子粒子で構成されたバッテリーの充電方法が、その全体的な性能に大きな影響を与えることを示すことができたと述べた。その結果、システムに蓄積されるエネルギーが大幅に増加し、熱効率が向上することが確認された。興味深いことに、彼らの発見は、システムの相互作用に関する直感に反する結果を明らかにした。
ブレークスルーとその意味
研究チームは、同じ装置を使った高出力充電器と比較して、低出力充電器の方がより高いエネルギーをより高い効率で供給できる可能性があることを発見した。
この画期的な発見の意味は、携帯機器にとどまらない。量子システム内の熱移動を操作するICOの能力は、太陽エネルギーの捕獲に革命をもたらす可能性がある。ソーラーパネルは熱損失によって効率が低下することで有名だが、ICOを活用することでこの損失を軽減し、エネルギー出力を大幅に向上させることができる。
しかし、研究チームの先駆的な研究は、量子領域のユニークな特性を実用的なエネルギーソリューションに活用するための重要な飛躍を意味する。ICOを指針とする未来の電池は、単にデバイスに電力を供給するだけでなく、エネルギーの捕獲、貯蔵、利用方法を根本から変えてしまうかも知れない。
論文
- Physical Review Letters: Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment
参考文献
研究の要旨
標準的な量子論では、事象間の因果的な発生順序は規定されており、確定的でなければならない。これは、量子電池の従来の動作シナリオではすべて維持されてきた。本研究では、さらに一歩進めて、不確定因果順序（ICO）での量子電池の充電を可能にする。非単位ダイナミクスに基づく充電プロトコルを提案し、フォトニック量子スイッチを用いて実験的に調べた。その結果、充電エネルギー量と熱効率の両方を同時に高めることができることを実証した。さらに、充電器の性能が低いほど、より高い効率でより多くのエネルギーを充電することができるという、直感に反する効果も明らかにした。様々な充電器の構成を調査することにより、ICOプロトコルが従来のプロトコルを凌駕し、異常な逆相互作用効果をもたらすことを発見した。我々の発見は、ICOと他のコヒーレント制御プロセスから生じる新奇性の根本的な違いを浮き彫りにし、ICOとその応用の可能性について新たな洞察を与える。
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