The next phase of quantum energy science: from mechanisms to applications

Seit Jahrzehnten ist die bekannteste Anwendung der Quantenmechanik die Manipulation von Informationen. Wissenschaftler haben gelernt, Atome und supraleitende Schaltkreise zu manipulieren, um sie als winzige Schalter einzusetzen, wobei Bits von Daten in empfindlichen Zuständen der Existenz gespeichert werden, die gelesen, kopiert oder gelöscht werden können. Dieses Feld, bekannt als Quanteninformationswissenschaft, betrachtet den Quantenzustand als ein zerbrechliches Gefäß, das perfekt intakt gehalten werden muss, wie eine Glasskulptur, die zerbricht, wenn man sie zu grob berührt. Doch dieselben physikalischen Systeme, die Informationen halten, halten auch Energie. Ein einzelnes Atom kann auf ein höheres Energieniveau angeregt werden und so ein Energiepaket speichern, genau wie es ein Stück eines Datensatzes speichern könnte. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass Information oft eine perfekte Bewahrung erfordert, Energie hingegen nicht. Ein Quantensystem kann seine empfindliche Phasenkohärenz verlieren – den synchronisierten Rhythmus, der es für das Computing nützlich macht – und dennoch seine gespeicherte Energie behalten, bereit, später freigesetzt zu werden. Diese Erkenntnis hat ein neues Denken darüber angestoßen, wie wir die Quantenwelt nutzen könnten, nicht nur um zu rechnen, sondern um Energie mit beispielloser Präzision zu gewinnen, zu speichern und zu lenken.

Ein Team von Forschern vom Massachusetts Institute of Technology und Institutionen auf der ganzen Welt hat diese verstreuten Bemühungen nun in einem kohärenten Feld organisiert, das sie Quantenenergiewissenschaft (Quantum Energy Science) nennen. Ihre Arbeit geht über den Blick auf spezifische Anwendungen wie Solarmodule oder Kernbatterien hinaus und konzentriert sich stattdessen auf die grundlegenden Operationen, die jedes Energiesystem ausführen muss. Sie schlagen vor, dass jegliches Energiemanagement, sei es in einem Molekül, einem Schaltkreis oder einem Atomkern, auf fünf grundlegenden Aktionen basiert: Energie in ein System zu bringen, sie festzuhalten, sie freizugeben, sie von einem Ort zum anderen zu bewegen und sie in eine andere Form umzuwandeln. Durch die Zerlegung des Problems in diese elementaren Schritte haben die Forscher eine universelle Sprache geschaffen, die disparate Felder verbindet, von der Untersuchung lichterntender Pflanzen bis hin zur Kontrolle von Kernreaktionen.

Die Forscher argumentieren, dass der Schlüssel zu dieser neuen Wissenschaft in der gezielten Gestaltung der Wechselwirkung von Quantenzuständen liegt. In der Vergangenheit haben Wissenschaftler oft gegen die Umgebung gekämpft und versucht, Systeme zu isolieren, um zu verhindern, dass Energie entweicht. Dieser neue Ansatz legt nahe, dass die Umgebung ein Werkzeug sein kann. Indem sie sorgfältig gestalten, wie ein System mit seiner Umgebung verbunden ist, können Wissenschaftler die Umgebung tatsächlich nutzen, um das Aufladen zu beschleunigen, gespeicherte Energie zu schützen oder sie zu einem bestimmten Ziel zu leiten. Beispielsweise können sie viele Atome so anordnen, dass sie im Einklang agieren, wodurch sie Energie viel schneller absorbieren können, als sie es allein könnten, oder sie können „dunkle“ Zustände erschaffen, in denen Energie sicher gefangen ist, unsichtbar für die Kanäle, die sie normalerweise entweichen ließen. Es geht hierbei nicht darum, einen perfekten Quantenzustand ewig zu bewahren; es geht darum, die Regeln der Quantenmechanik zu nutzen, um den Energiefluss zu kontrollieren.

Um zu verstehen, wie dies funktioniert, beschreiben die Autoren einen Rahmen, der die mikroskopischen Mechanismen mit realen Fähigkeiten verknüpft. Sie identifizieren fünf elementare Funktionen. Die erste ist „Anregen“ (Excite), was schlicht der Akt ist, Energie in ein System zu pumpen, wie etwa die Verwendung eines Lasers, um ein Elektron auf ein höheres Energieniveau zu heben. Die zweite ist „Halten“ (Hold), was beinhaltet, diese Energie dort zu behalten, ohne dass sie entweicht. Dies ist oft der schwierigste Teil, da die Natur dazu neigt, angeregte Zustände wieder in ihren ruhigen, niederenergetischen Zustand relaxieren zu lassen. Die dritte ist „Freigeben“ (Release), das kontrollierte Öffnen eines Ventils, um die gespeicherte Energie zur Verrichtung von Arbeit freizusetzen. Die vierte ist „Transferieren“ (Transfer), was Energie von einem Teil eines Systems zu einem anderen bewegt, ohne dass sie jemals die Systemgrenze verlässt. Die letzte Funktion ist „Transformieren“ (Transform), bei der die Energie ihre Natur ändert, wie etwa die Umwandlung von Licht in Elektrizität oder das Auslösen einer chemischen Reaktion.

Diese Funktionen sind nicht nur theoretische Konzepte; sie werden in Laboratorien mit realen Materialien getestet. Auf molekularer Ebene haben Forscher gezeigt, dass sie durch die Platzierung von Molekülen in winzigen optischen Kavitäten kollektive Zustände erzeugen können, in denen die Moleküle Licht viel effizienter absorbieren, als sie es allein tun würden. In einem Experiment wurde ein Film aus organischen Molekülen in weniger als einer Billionstelsekunde aufgeladen, eine Geschwindigkeit, die weit über dem liegt, was mit einzelnen Molekülen möglich ist. Andere Arbeiten haben demonstriert, wie man Energie in langlebigen molekularen Zuständen speichert und diese Mikrosekunden lang sicher aufbewahrt, bevor sie als elektrischer Strom freigesetzt wird. Dies sind kleine Schritte, aber sie beweisen, dass die grundlegenden Funktionen technisch gestaltet werden können.

Die Herausforderung wird noch komplexer, wenn man zur Skala des Atomkerns übergeht. Kerne enthalten wesentlich mehr Energie als Elektronen, sind aber auch viel schwerer zu erreichen. Während ein Laser ein Elektron leicht anregen kann, erfordert das Anregen eines Kerns oft hochenenergetische Röntgen- oder Gammastrahlen, die schwierig zu erzeugen und zu kontrollieren sind. Die Forscher weisen jedoch darauf an, dass einige Kernzustände von Natur aus sehr stabil sind und ihre Energie über Jahre oder gar Jahrhunderte halten. Das Ziel ist es, einen Weg zu finden, diese nuklearen „Batterien“ zu laden und diese Energie dann auf Abruf freizusetzen. Ein vielversprechender Weg ist die Verwendung des Isotops $^{229}\text{Th}$, das einen Kernübergang bei einer relativ niedrigen Energie besitzt, der mit Lasern erreicht werden kann. Wissenschaftler haben bereits demonstriert, dass sie diesen Kern anregen können und dass die Energie über hunderte von Sekunden gespeichert werden kann. Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, wie diese Energie effizient freigesetzt werden kann, vielleicht indem man die umgebenden Elektronen im Kristall nutzt, um die Freisetzung auszulösen.

Das Paper untersucht zudem, wie diese Funktionen kombiniert werden können, um drei wesentliche technologische Fähigkeiten zu schaffen: Speicherung, Routing und Konvertierung. Speicherung ist die Fähigkeit, Energie zu behalten und sie später abzurufen. Obwohl heutige Quantenbatterien noch weit davon entfernt sind, die Lithium-Ionen-Zellen in unseren Telefonen zu ersetzen, schlagen die Forscher vor, dass die nukleare Speicherung eines Tages eine Energiedichte bieten könnte, die tausendfach höher ist als chemische Batterien, mit der Fähigkeit, diese Energie über Jahre ohne Verlust zu halten. Routing ist die Fähigkeit, Energie zu einem bestimmten Ziel zu leiten. In der Natur sind Pflanzen Meister darin, Energie von lichterntenden Antennen zu Reaktionszentren mit nahezu perfekter Effizienz zu leiten. Die Forscher arbeiten daran, dies in künstlichen Systemen zu replizieren, indem sie gemeinsame Moden von Licht oder Vibration nutzen, um Energie zwischen Molekülen oder sogar zwischen fernen Kernspins zu leiten. Konvertierung ist die Fähigkeit, Energie von einer Form in eine andere zu wandeln, wie etwa die Umwandlung von Kernenergie in Elektrizität oder das Steuern einer chemischen Reaktion, um ein spezifisches Produkt zu erzeugen.

Die Autoren merken vorsichtig an, dass die Physik zwar fundiert ist, das Engineering jedoch noch in den Kinderschuhen steckt. Sie präsentieren eine Reihe von „Extremszenarien“ (stretch scenarios), um zu illustrieren, wie ein Erfolg in den nächsten ein oder zwei Jahrzehnten aussehen könnte. Eine Möglichkeit ist ein Quantenprozessor, der einen gemeinsamen Energiepool nutzt, um seine Operationen zu versorgen, was die Notwendigkeit komplexer Verkabelung und Kühlung reduziert. Eine andere ist eine Kernbatterie, die ein Raumfahrzeug über Jahrzehnte mit Energie versorgen könnte, wobei sie ihre Energie nur bei Bedarf wieder auflädt. Es gibt auch Visionen von chemischen Fabriken, in denen Licht genutzt wird, um Reaktionen zu steuern, sodass nur das gewünschte Produkt entsteht und Abfall eliminiert wird. Dies sind keine garantierten Ergebnisse, aber sie stellen die Art von Leistungszielen dar, die die Technologie wirklich nützlich machen würden.

Was diese Arbeit bedeutend macht, ist nicht nur das spezifische Ergebnis, sondern die neue Denkweise, die sie bietet. Indem sie sich auf die Funktionen der Energie statt auf die spezifischen Materialien konzentrieren, haben die Forscher eine Landkarte geschaffen, die Gemeinschaften verbindet, die selten miteinander sprechen. Ein Wissenschaftler, der an Solarzellen arbeitet, ein anderer an der Kernphysik und ein dritter an der Quantencomputertechnik könnten alle dasselbe fundamentale Problem lösen: wie man Energie in ein System bringt, sie dort hält und sie dorthin bringt, wo sie benötigt wird. Diese gemeinsame Terminologie ermöglicht es ihnen, von den Erfolgen und Misserfolgen der jeweils anderen zu lernen. Beispielsweise könnten die Techniken, die verwendet werden, um einen Kernzustand vor dem Zerfall zu schützen, neue Wege inspirieren, um ein Elektron in einer Solarzelle zu schützen.

Der Weg nach vorn wird erfordern, diese Ideen unter realistischen Bedingungen zu testen. Theoretische Modelle legen nahe, dass kollektive Effekte das Aufladen beschleunigen können, aber reale Unordnung und Rauschen könnten interferieren. Die Forscher betonen, dass das Ziel nicht darin besteht, um jeden Preis eine perfekte Quantenkohärenz zu erreichen, sondern das richtige Gleichgewicht zu finden, in dem Quanteneffekte einen praktischen Vorteil bieten. Sie schlagen vor, dass die Umgebung, die oft als Feind gesehen wird, gestaltet werden kann, um zu helfen. Indem sie die Art und Weise formen, wie ein System mit seiner Umgebung interagiert, können Wissenschaftler unerwünschten Energieverlust unterdrücken oder Energie entlang spezifischer Pfade leiten. Dieser Wechsel vom Kampf gegen die Natur hin zum Arbeiten mit ihr ist der Kern des neuen Ansatzes.

Letztendlich argumentiert das Paper, dass die Quantenenergiewissenschaft zu einem eigenständigen Feld mit eigenen Zielen und Methoden reift. Es geht nicht mehr nur darum, die Quantenmechanik auf bestehende Energieprobleme anzuwenden; es geht darum, das Energiemanagement selbst auf der fundamentalsten Ebene neu zu denken. Die Forscher haben einen Rahmen geschaffen, der die mikroskopische Welt der Quantenzustände mit der makroskopischen Welt nützlicher Geräte verbindet. Während der Weg vom Labor zum Stromnetz noch lang ist, werden die ersten Schritte unternommen. Durch die Beherrschung der fünf elementaren Funktionen der Energie könnte die Menschheit eines Tages neue Wege erschließen, die Kraft zu speichern, zu bewegen und zu nutzen, die in der Materie selbst wohnt.