Quantum Charging Advantage Cannot Be Extensive Without Global Operations

본 논문에서는 양자 배터리(Quantum Batteries)의 양자이득의 관한 이론적으로 엄밀한 조건을 제시하였다. 양자 배터리란 에너지를 양자상태에 저장할 수 있으며  사용가능한 에너지로 전환할 수 있는 열 기관이다. 양자 배터리는 기존의 고전적인 배터리(Classical Batteries)와 달리 양자 얽힘과 양자 중첩상태를 이용하여 더욱 빠른 충전속도와 방출 일률을 가지며 이는 미래기술로 사용될 가능성을 시사한다. 양자 배터리가 가지는 최대 충전속도는 고전적인 배터리가 셀의 개수와 선형 비례하는것과 달리 이루어진 셀의 개수의 제곱에 비례한다. 본 연구에서는 양자효과를 최대한 이용하여 제곱 규모를 도달하기 위한 조건을 제안하는 이론적 모델과 정리를 증명하였다. 양자이득은 배터리를 충전시키는 Hamiltonian이 양자 얽힘 상태로 만드는 셀의 개수와 비례하며 따라서 최대 고전적인 배터리와 비교하여 셀의 개수의 비례하는 양자이득을 얻을 수 있음을 시사한다. 추가적으로 필요조건을 만족하지만 양자이득을 얻지 못하는 모델을 제안하여 논문에서 제안한 조건은 충분조건이 될 수 없을 밝혔다.

Quantum batteries are devices made from quantum states, which store and release energy in a fast and efficient manner, thus offering numerous possibilities in future technological applications. They offer a significant charging speedup when compared to classical batteries, due to the possibility of using entangling charging operations. We show that the maximal speedup that can be achieved is extensive in the number of cells, thus offering at most quadratic scaling in the charging power over the classically achievable linear scaling. To reach such a scaling, a global charging protocol, charging all the cells collectively, needs to be employed. This concludes the quest on the limit of charging power of quantum batteries and adds to other results in which quantum methods are known to provide at most quadratic scaling over their classical counterparts.

Ju-Yeon Gyhm, Dominik Šafránek, and Dario Rosa
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.140501
https://physics.aps.org/articles/v15/50?utm_campaign=weekly&utm_medium=email&utm_source=emailalert