Japanische Wissenschaftler schlagen ein Quantenbatterie-Design vor, das Energieverlusten widersteht

Wenn „Quantenbatterien“ Realität wären, würden sich alltägliche Geräte bis zur Unkenntlichkeit verändern – alles würde ultraschnell aufgeladen werden können, eine längere Lebensdauer ohne Leistungsabfall haben und eine höhere Energieeffizienz aufweisen.

Bislang sind die Vorschläge für Quantenbatterien jedoch noch nicht über das Whiteboard hinausgekommen, vor allem weil Quantenvorrichtungen zu viel Energie verlieren und ihre empfindlichen Quantenzustände schnell zusammenbrechen.

Grundsätzlich ist die verlustfreie Übertragung und Speicherung von Energie hier der wichtigste Knackpunkt. Nun hat jedoch ein japanisches Forscherteam des RIKEN Center for Quantum Computing und der Huazhong University of Science and Technology einen saubereren Entwurf vorgelegt. Dieser basiert auf einem topologischen Design, das – auf dem Papier – Energie über große Entfernungen speichert und bei steigenden Verlusten sogar einen kurzen Anstieg der Ladeleistung zeigt.

Potenzial für Mikro-Energiespeichergeräte

Obwohl es sich hierbei um eine theoretische Studie und nicht um eine Labordemonstration handelt, haben die Wissenschaftler eine Batterie modelliert, die aus photonischen Wellenleitern (Kanäle, die Licht leiten) besteht, die mit einfachen Zwei-Niveau-Atomen (den Bausteinen der Quantenphysik) gekoppelt sind.

Durch die Verwendung von Topologie – Eigenschaften, die auch dann robust bleiben, wenn man die Struktur verbiegt oder verformt – zeigen ihre Gleichungen eine nahezu perfekte Energieübertragung und eine überraschende Widerstandsfähigkeit gegen Dissipation (den üblichen Energieverlust).

Das Modell sagt sogar voraus, dass bei Überschreiten einer kritischen Verlustschwelle die Ladeleistung kurzzeitig ansteigt, was die Annahme widerlegt, dass Verluste immer schlecht sind.

„Unsere Forschung liefert neue Erkenntnisse aus topologischer Perspektive und gibt uns Hinweise für die Realisierung von leistungsstarken Mikro-Energiespeichern“, sagte Zhi-Guang Lu, der Erstautor der Studie.

„Durch die Überwindung der praktischen Leistungsbeschränkungen von Quantenbatterien, die durch die Energieübertragung über große Entfernungen und Energieverluste verursacht werden, hoffen wir, den Übergang von der Theorie zur praktischen Anwendung von Quantenbatterien zu beschleunigen.“

Ein vielversprechender Fahrplan

Wenn sich der Entwurf in Experimenten bewährt, könnte dies eines Tages winzige, schnell aufladbare Batterien für zukünftige Quantenhardware bedeuten – von der Energiespeicherung auf dem Chip bis hin zu optischen Quantenverbindungen, die eine saubere Energieübertragung zwischen den Komponenten erfordern.

Das große Versprechen der Topologie ist laut den Wissenschaftlern Robustheit, wobei die wichtigsten Merkmale Biegungen, kleine Defekte und einige Umgebungsgeräusche überstehen, die normalerweise Quantengeräte zerstören.

„Mit Blick auf die Zukunft werden wir weiterhin daran arbeiten, die Lücke zwischen theoretischer Forschung und praktischer Anwendung von Quantenvorrichtungen zu schließen – und damit das von uns seit langem angestrebte Quantenzeitalter einläuten“, erklärte Cheng Shang, der korrespondierende Autor der Studie.

Sie fügte jedoch hinzu, dass es sich bei dieser Theorie lediglich um ein Modell und nicht um ein Produkt handelt und dass die Herstellung verlustarmer topologischer photonischer Schaltungen in großem Maßstab, gelinde gesagt, schwierig ist. Die Ingenieure müssen den Effekt im Labor nachweisen, Fertigungsprobleme in den Griff bekommen und beweisen, dass die Verluststeigerung auch außerhalb idealer Bedingungen kontrollierbar und nutzbar ist.

Als Roadmap ist sie jedoch vielversprechend. Sie legt nahe, dass topologische Photonik die Quantenenergie dort hält, wo man sie haben möchte, und unter den richtigen Einstellungen sogar „Verluste“ für sich nutzen könnte.

Quellenhinweis:

Topological Quantum Batteries, published in Physical Review Letters, October 2025.