일본 과학자들이 에너지 손실을 극복하는 양자 배터리를 공개했습니다.

위상 양자 배터리는 양자 및 위상 효과를 활용하여 완벽한 에너지 전달 및 소산 저항을 달성함으로써 에너지 저장에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

리켄 양자 컴퓨팅 센터와 화중과학기술대학교의 과학자들은 "위상 양자 배터리"의 효율적인 설계 방법을 보여주는 이론적 연구를 수행했습니다. 이 혁신적인 개념은 광도파관의 위상적 특성과 2준위 원자의 양자 거동을 이용하여 에너지를 저장하고 전달합니다. Physical Review Letters 에 게재된 이 연구 결과는 나노스케일 에너지 저장, 광 양자 통신, 그리고 분산 양자 컴퓨팅 시스템 분야에서의 잠재적 응용 가능성을 시사합니다.

양자 배터리의 약속

환경적 지속가능성이 전 세계적으로 점점 더 시급한 문제로 부각됨에 따라, 연구자들은 차세대 에너지 저장에 대한 새로운 접근법을 모색하고 있습니다. 전통적인 화학 반응 대신 중첩, 얽힘, 결맞음과 같은 양자 현상을 이용하여 에너지를 저장하는 소형 이론적 장치인 양자 배터리는 전력 저장 및 전달 방식을 새롭게 정의할 수 있습니다. 이론적으로 이러한 배터리는 기존 배터리보다 빠른 충전, 더 높은 용량, 향상된 에너지 추출 효율 등 여러 장점을 제공할 수 있습니다.

양자 에너지 시스템의 과제 극복

수년간의 제안에도 불구하고 양자 배터리의 실용화는 여전히 요원한 상태입니다. 실제 환경에서 이러한 시스템은 에너지 손실과 결어긋남에 특히 취약합니다. 결어긋남은 양자 시스템이 얽힘이나 중첩과 같은 필수적인 특성을 잃어 성능 저하로 이어지는 과정입니다. 일반적인 (비위상적) 도파관(광자를 유도하지만 휘어짐이나 결함에 민감한 채널)을 사용하는 광자 시스템에서는 광자가 도파관 내에서 분산됨에 따라 에너지 효율이 급격히 떨어집니다. 환경 소음, 소산, 구조적 무질서와 같은 추가적인 문제는 안정성과 저장 효율을 더욱 저하시킵니다.

배터리 성능 개선을 위한 토폴로지 활용

이러한 지속적인 문제들을 해결하기 위해 국제 연구팀은 이론적 틀 안에서 분석적 및 수치적 모델링을 활용했습니다. 구조가 뒤틀리거나 구부러져도 재료의 특성이 변하지 않는 위상학적 특성을 활용하여, 양자 배터리에서 장거리 에너지 전달과 에너지 손실 방지를 동시에 달성할 수 있음을 보였습니다. 예상치 못한 결과로, 연구진은 일반적으로 성능을 약화시키는 에너지 손실이 특정 조건에서 일시적으로 충전 전력을 증가시킬 수 있다는 사실도 발견했습니다.

획기적인 발견과 미래적 의미

이 연구는 위상 양자 배터리의 실용화를 앞당기는 몇 가지 유망한 결과를 보여주었습니다. 연구팀은 광도파로의 위상학적 특성이 거의 완벽한 에너지 전달을 가능하게 한다는 것을 입증했습니다. 충전 소스와 배터리가 동일한 위치에 있을 때, 시스템은 단일 부격자로 제한된 에너지 손실 내성을 얻습니다. 또한, 에너지 손실이 임계 수준을 초과할 때 충전 전력이 짧지만 상당한 증가를 경험한다는 것을 발견하여 에너지 손실은 항상 해롭다는 오랜 통념을 뒤집었습니다.

실제 양자 배터리를 향해

"저희 연구는 위상학적 관점에서 새로운 통찰력을 제공하고 고성능 마이크로 에너지 저장 장치 구현에 대한 힌트를 제공합니다. 장거리 에너지 전송 및 소산으로 인한 양자 배터리의 실질적인 성능 한계를 극복함으로써, 양자 배터리의 이론에서 실제 응용으로의 전환을 가속화할 수 있기를 기대합니다."라고 이 연구의 제1저자인 루 지광(Zhi-Guang Lu)은 말했습니다.

국제 연구팀의 책임 저자인 정 샹은 "앞으로 우리는 양자 소자의 이론적 연구와 실제 구현 사이의 격차를 메우기 위한 노력을 계속할 것입니다. 이를 통해 우리가 오랫동안 꿈꿔왔던 양자 시대가 열릴 것입니다."라고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251023031612.htm