Baterías cuánticas y causalidad

Las baterías que aprovechan fenómenos cuánticos para obtener, almacenar y suministrar energía prometen superar las capacidades y utilidad de las baterías químicas convencionales en ciertas aplicaciones de baja potencia. Por primera vez, unos investigadores han conseguido aprovechar un proceso cuántico que parece “imposible” por no seguir la noción convencional de causalidad. El aprovechamiento de este fenómeno ha permitido a dichos científicos mejorar el rendimiento de las llamadas baterías cuánticas, acercando un poco más esta tecnología del futuro a la realidad.

Cuando escuchamos la palabra "cuántica", referida a la física que rige el mundo subatómico, los avances en computación cuántica suelen acaparar nuestros pensamientos como también los hacen los titulares en la prensa, pero hay otras tecnologías cuánticas venideras a las que merece la pena prestar atención. Una de ellas es la batería cuántica. Las baterías de esta nueva y revolucionaria están a punto de encontrar una aplicación práctica en los diversos dispositivos portátiles y de bajo consumo, especialmente cuando las oportunidades de recarga son escasas.

De momento, las baterías cuánticas solo existen como experimentos de laboratorio, e investigadores de todo el mundo trabajan en los distintos aspectos que se espera que algún día se combinen en una batería cuántica que resulte plenamente funcional y del todo práctica.

Yuanbo Chen y Yoshihiko Hasegawa, de la Universidad de Tokio en Japón, investigan la mejor forma de recargar una batería cuántica. Una de las ventajas de las baterías cuánticas es que deberían ser increíblemente eficientes, aunque eso depende de la forma en que se carguen.

Las baterías actuales para dispositivos de baja potencia, como smartphones o sensores, suelen utilizar sustancias químicas como el litio para almacenar la carga, eléctrica mientras que una batería cuántica utiliza partículas microscópicas como conjuntos de átomos. Mientras que las baterías químicas se rigen por las leyes clásicas de la física, las partículas microscópicas son de naturaleza cuántica, por lo que hay la oportunidad de explorar formas de utilizarlas que desvirtúen o incluso rompan por completo nuestras nociones de lógica clásica sobre lo que ocurre a pequeña escala. Resulta de especial interés la forma en que las partículas cuánticas pueden saltarse una de las “leyes” más fundamentales de nuestra vida cotidiana, la del paso del tiempo.

El equipo, que también ha contado con la colaboración de Gaoyan Zhu y Peng Xue, del Centro de Investigación en Ciencias de la Computación de Pekín (China), experimentó con formas de cargar una batería cuántica utilizando aparatos ópticos como láseres, lentes y espejos, pero la forma en que los autores del estudio lo consiguieron requería un efecto cuántico en el que los sucesos no están causalmente conectados como lo están en las cosas cotidianas. Los métodos anteriores para cargar una batería cuántica requerían una serie de etapas de carga sucesivas. Sin embargo, en este caso, el equipo utilizó un efecto cuántico relativamente poco conocido, que se denomina “orden causal indefinido”. En el ámbito de la física clásica, la causalidad sigue un camino claro, lo que significa que si un suceso A conduce a un suceso B, se excluye la posibilidad de que B cause A. Sin embargo, a escala cuántica, la causalidad es indefinida. Gracias a ello, el orden causal indefinido permite que ambas direcciones de la causalidad existan en lo que se conoce como superposición cuántica, donde ambas pueden ser ciertas simultáneamente.

En el mundo cotidiano, regido por la física clásica, si intentáramos recargar una batería empleando dos cargadores, tendríamos que hacerlo en secuencia, limitando las opciones disponibles a solo dos órdenes posibles. Sin embargo, gracias al orden causal indefinido, un llamativo efecto cuántico, existe la posibilidad de cargar baterías cuánticas de una forma poco convencional. En este caso, pueden existir simultáneamente múltiples cargadores dispuestos en diferentes órdenes, formando una superposición cuántica. (Imagen: © 2023 Chen et al. CC BY-ND)

"Con el orden causal indefinido, demostramos que la forma de cargar una batería formada por partículas cuánticas puede influir drásticamente en su rendimiento", afirma Chen. "Vimos enormes ganancias tanto en la energía almacenada en el sistema como en la eficiencia térmica. Y de forma un tanto contraintuitiva, descubrimos el sorprendente efecto de una interacción que es la inversa de lo que cabría esperar: un cargador de menor potencia podía proporcionar energías más altas con mayor eficiencia que un cargador de potencia comparativamente más alta, utilizando el mismo aparato."

El equipo expone los detalles técnicos de sus avances sobre baterías cuánticas en la revista académica Physical Review Letters, bajo el título “Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment”. (Fuente: NCYT de Amazings)