Quantenbatterie erreicht theoretische Geschwindigkeitsgrenze und hält deutlich länger

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen – 14. Juli 2025

Die Quantenbatterie des Teams kann Energie bereits für mehrere Mikrosekunden speichern. [Bild: RMIT]

Langlebigkeit

Australische Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, die die Lebensdauer von Quantenbatterien deutlich verlängern soll – 1.000-mal länger als bisherige Demonstrationen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die zur Energiespeicherung auf chemische Reaktionen angewiesen sind, nutzen Quantenbatterien das Phänomen der Superposition und Wechselwirkung zwischen Elektronen und Photonen. Sie ermöglichen schnellere Ladezeiten und potenziell höhere Speicherkapazitäten.

„Obwohl wir nur einen kleinen Teil des Mixes in Angriff genommen haben, ist unser Gerät bereits viel besser in der Energiespeicherung als sein Vorgänger“, sagte Daniel Tibben von der RMIT University.

Frühere Prototypen von Quantenbatterien zeigten zwar beeindruckende Ladegeschwindigkeiten, hatten jedoch Probleme, die Leistung aufrechtzuerhalten. Sie zeigten übermäßig schnelle Entladeraten und verloren fast so schnell Energie, wie sie aufgeladen wurden.

Nun hat das Team fünf Geräte gebaut und untersucht, die am besten funktionierten, wenn zwei bestimmte Energieniveaus perfekt aufeinander abgestimmt waren, wodurch Energie effizienter gespeichert werden konnte.

Der leistungsstärkste Prototyp speicherte Energie 1.000-mal länger als die vorherige Demonstration und erweiterte die Energiespeicherung von Nanosekunden auf Mikrosekunden. Dies mag zwar nicht lange erscheinen, doch das Ergebnis bestätigt das Konzept und legt eine solide Grundlage für zukünftige Forschung.

„Obwohl die Entwicklung einer funktionsfähigen Quantenbatterie noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird, hat uns diese experimentelle Studie ermöglicht, die nächste Gerätegeneration zu entwerfen“, sagte Professor Daniel Gómez. „Wir hoffen, dass Quantenbatterien eines Tages die Effizienz von Solarzellen verbessern und kleine elektronische Geräte mit Strom versorgen können.“

Illustratives Bild einer Quantenbatterie. [Bild: Universität Pisa]

Quantenvorteil

Gian Andolina und Kollegen an der Universität Pisa in Italien haben in einem weiteren Aspekt der Quantenbatterietechnologie Fortschritte erzielt: der Geschwindigkeit.

Das Team hat ein neues Batteriemodell entwickelt, das überraschend einfach ist und dennoch einen echten Quantenvorteil gegenüber einer klassischen analogen Batterie bieten könnte. Das neue Modell hat die sogenannte Quantengeschwindigkeitsgrenze erreicht – die theoretisch erreichbare Höchstgeschwindigkeit eines quantenmechanischen Systems.

„In den letzten Jahren haben einige der Autoren der vorliegenden Arbeit ein Modell vorgeschlagen, das diesen Quantenvorteil bietet: das Sachdev-Ye-Kitaev-Modell (SYK). Dieses Modell ist jedoch sowohl experimentell – aufgrund seiner Vielteilchenwechselwirkungen – als auch theoretisch, da es analytisch anspruchsvoll ist, hochkomplex“, sagte Professor Vittoria Stanzione.

Anschließend machte sich das Team an die Vereinfachung und suchte nach der einfachsten möglichen Quantenbatterie, die hinsichtlich der Ladeleistung immer noch den Quantenvorteil beibehielt.

„Unser Modell besteht aus zwei gekoppelten harmonischen Oszillatoren: Einer fungiert als ‚Ladegerät‘, der andere als ‚Batterie‘“, erklärte Stanzione. „Der Schlüsselfaktor für den Quantenvorteil ist eine anharmonische Wechselwirkung (die Rückstellkraft ist nicht proportional zur Oszillatorauslenkung) zwischen den beiden Oszillatoren während des Ladevorgangs. Diese anharmonische Kopplung ermöglicht dem System den Zugriff auf nichtklassisch verschränkte Zustände, die im Hilbert-Raum (einer Verallgemeinerung des euklidischen Raums auf n Dimensionen) eine ‚Abkürzung‘ bilden und so einen schnelleren Energietransfer als in der klassischen Dynamik ermöglichen.“

Das Modell der italienischen Forscher ist noch rein theoretisch, obwohl das Team die Möglichkeit beschreibt, es experimentell mithilfe supraleitender Schaltkreise zu realisieren. Dabei handelt es sich um elektrische Schaltkreise aus Materialien, die bei sehr niedrigen Temperaturen keinen Widerstand aufweisen, ähnlich denen, die als Qubits in Quantencomputern verwendet werden.

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