Voiko kvanttiakku olla sekä nopea että vakaa?

Kvanttifysiikan epätarkkuusperiaate aiheuttaa kvanttiakuissa perustavan ristiriidan, joka rajoittaa niiden kykyä tuottaa samanaikaisesti vakaata tehoa ja energiaa.

Kvanttiakut ovat nouseva tutkimusala, joka keskittyy teoreettisiin tutkimuksiin ja pienillä kvanttijärjestelmillä tehtäviin mallinnoksiin. Toisin kuin arkielämässä käytettävät tavanomaiset kemialliset akut, kvanttiakut varastoivat ja siirtävät energiaa kvanttilaitteiden, kuten kvanttibittien eli kubittien avulla. Niitä tutkitaan tulevaisuuden energialähteinä kvanttiprosessoreille ja muille kvanttiteknologioille. Aiemmissa tutkimuksissa on keskitytty siihen, kuinka nopeasti ja suurella teholla kvanttiakkuja voidaan ladata.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat määrittivät rajat kvanttiakun energiasisällön ja sen luovutusnopeuden vaihteluille. Tutkimus  julkaistiin äskettäin PRX Quantum -tiedelehdessä.

”Ihannetapauksessa kvanttiakun pitäisi olla nopea ja tehokas, ja myös latautua tai luovuttaa energiaa luotettavasti ja vakaasti. Tutkimuksemme osoittaa, että kvanttimekaniikka asettaa perustavanlaatuisia rajoja kvanttiakkujen tehon ja energian vakaudelle”, sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, Oulun yliopiston tutkijatohtori Brij Mohan.

Tutkijat osoittavat, että tunnettu kvanttimekaaninen epätarkkuusperiaate estää luovutetun energian ja tehon vaihtelujen yhtäaikaisen pienentämisen tiettyä rajaa pienemmäksi. Hyvin vakaata energiasisältöä ja tehoa ei siis voida saavuttaa samanaikaisesti. Tässä yhteydessä luotettavuus ja vakaus tarkoittavat sitä, että vaihtelut pysyvät pieninä suhteessa energian ja tehon keskimääräisiin arvoihin.

Ristiriita syntyy siitä, että suljetuissa kvanttiakuissa energia ja teho kuvataan keskenään ei-kommutatiivisilla operaattoreilla. Tilanne muistuttaa paikan ja liikemäärän suhdetta kvanttimekaniikassa.

Tutkimusryhmä tarkasteli, miten tehon ja sen luotettavuuden välinen ristiriita riippuu useista kvanttiakkukennoista koostuvan akun lataustavasta. Rinnakkaislatauksessa kennot toimivat toisistaan riippumatta. Yhteislatauksessa kaikki kennot osallistuvat lataukseen. Hybridilataus sijoittuu näiden kahden vaihtoehdon väliin: siinä kennoryhmät ovat vuorovaikutuksessa keskenään latauksen aikana.

Tulokset osoittavat, että voimakkaampi yhteislataus kasvattaa tehoa, mutta lisää samalla tehon vaihtelua ja heikentää tehon luotettavuutta. Suurin mahdollinen teho ei siis yksin riitä kvanttiakun suorituskyvyn arviointiin.

”Tehon kasvattamisen, sekä energian ja tehon luotettavuuden välille on mahdollista löytää tasapaino. Keskipitkän kantaman vuorovaikutuksiin perustuva lataustapa tarjoaa hyödyllisen kompromissin suuren tehon ja vakaan toiminnan välillä”, sanoo VTT:n tutkija Tanmoy Pandit.

Tutkijat tarkastelivat myös kvanttiakkuja, joissa esiintyy poikittaisen Ising-mallin kaltaisia monen kappaleen vuorovaikutuksia. He havaitsivat saman laadullisen ristiriidan tehon ja luotettavuuden välillä. Tämä osoittaa, ettei vaikutus rajoitu vain yksinkertaisimpaan teoreettiseen malliin. Seuraavaksi tutkijat pyrkivät selvittämään luotettavuuden rajoja realistisemmissa olosuhteissa. Tarkasteluun sisällytetään muun muassa kohina, energiahäviöt, avoimien kvanttijärjestelmien dynamiikka sekä kokeellisesti merkitykselliset kvanttialustat.

”Kvanttiakut ovat jatkumoa Oulun yliopiston nano- ja molekyylien tutkimusyksikön pitkäjänteiselle tutkimustyölle kvanttilaitteiden, kuten suprajohtavien kubittien ja kvanttiprosessorien, mallinnuksessa ja teoriassa”, kertoo apulaisprofessori Matti Silveri.

Uusi tutkimusjulkaisu: Brij Mohan, Tanmoy Pandit, Maciej Lewenstein ja Manabendra Nath Bera: Fundamental Limitations on the Reliabilities of Power and Work in Quantum Batteries, PRX Quantum 7, 033057 (2026).