Una nueva forma de cargar baterías aprovecha el poder del "orden causal indefinido"

En una batería típica, los iones cargados se desplazan en una dirección a través de un mar de otras partículas a medida que la batería se recarga, antes de correr hacia la otra dirección para liberar la energía almacenada en el momento justo.

Los iones van y vienen, algunos se desvían en el camino, hasta que se agota la capacidad de la batería y pierde energía demasiado rápido para ser de alguna utilidad.

Pero los físicos están imaginando nuevas formas de almacenar energía en prácticos dispositivos portátiles basándose en un extraño fenómeno cuántico que tuerce el tiempo, entre otros inusuales sucesos.

"Las actuales baterías para dispositivos de baja potencia, como teléfonos inteligentes o sensores, suelen utilizar productos químicos como el litio para almacenar carga, mientras que una batería cuántica utiliza partículas microscópicas como conjuntos de átomos", explica Yuanbo Chen, estudiante de posgrado en física de la Universidad de Tokio.

En su último trabajo, Chen se asoció con el físico Gaoyan Zhu del Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de Beijing, parte de la Academia de Ingeniería Física de China, y sus colegas para probar la idea de crear una batería cuántica que permita etapas de carga simultáneas, mejorando así el almacenamiento de energía y la eficiencia térmica.

"Si bien las baterías químicas se rigen por las leyes clásicas de la física, las partículas microscópicas son de naturaleza cuántica, por lo que tenemos la oportunidad de explorar formas de usarlas que dobleguen o incluso rompan nuestras nociones intuitivas de lo que ocurre a pequeña escala", dice Chen.

Chen, Zhu y sus colegas ciertamente no son el primer grupo en imaginar cómo podría funcionar una batería cuántica, pero han probado sus ideas experimentalmente en una mesa de laboratorio llena de láseres, lentes y espejos espaciados.

Imagen: Demostración de carga de baterías cuánticas. Si bien todavía es bastante más grande que la batería AA que se puede encontrar en casa, el aparato experimental que actúa como una batería cuántica demostró características de carga que algún día podrían mejorar la batería de su teléfono inteligente. ©2023 Zhu et al. CC-BY-ND

En 2019, un equipo de investigadores canadienses presentó un modelo para una batería cuántica que nunca pierde su carga. Su idea, que sigue siendo totalmente teórica, gira en torno a un mecanismo cuántico diferente: uno que implica atraer componentes cuánticos a un "estado oscuro" donde el material no puede interactuar con su entorno ni perder energía en él.

El enfoque de Zhu y sus colegas se deriva de un fenómeno cuántico conocido como superposición, que comúnmente se recuerda en la computación cuántica, y es donde las partículas existen en una ráfaga de estados posibles hasta el momento en que se miden.

Esta superposición de posibilidades también altera el orden natural del tiempo, según han demostrado recientemente los investigadores.

En la física clásica y en la vida cotidiana, los acontecimientos sólo pueden ocurrir de forma lineal o en un orden fijo. Piensa en la causa antes que en el efecto, o en el evento A (pulsar un interruptor) antes del evento B (la luz se enciende).

Sin embargo, en el ámbito cuántico, se rompe ese orden lineal y la superposición permite que los acontecimientos se desarrollen a lo largo de dos caminos paralelos a la vez. En cierto modo, esto interfiere con el tiempo porque un evento que sigue a otro también puede influir en el resultado del evento como si viniera antes, porque ambos órdenes de eventos, A antes de B y B antes de A, son simultáneamente verdaderos.

"En pocas palabras, se ha descubierto que las leyes de la mecánica cuántica permiten la superposición cuántica de órdenes causales", explican Zhu y sus colegas.

Para aplicar esto al almacenamiento de energía, los investigadores realizaron este extraño proceso utilizando un interruptor cuántico, probaron algunas diferentes configuraciones de cargador y crearon un sistema capaz de alimentar dos cargadores simultáneamente.

"Demostramos que la forma en que se carga una batería compuesta de partículas cuánticas podría afectar drásticamente su rendimiento", dice Chen. "Vimos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica".

"Además, revelamos un efecto contrario a la intuición: un cargador relativamente menos potente garantiza una batería cargada con más energía y con mayor eficiencia", informan los investigadores en su artículo.

Si bien esta 'batería' cuántica se parece más a una red de láseres en una mesa de laboratorio, y faltan años para cualquier aplicación práctica, sigue siendo una excelente demostración de los principios subyacentes y de lo que podría ser posible en algún momento en el futuro, si es que no ha sucedido ya en el pasado.

El estudio ha sido publicado en Physical Review Letters: Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment