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A team at City University of Hong Kong set out to prove that a certain kind of energy transfer could not work. It ended up finding a quantum way to make it work. Led by Oscar Dahlsten, associate professor in the Department of Physics, the group reports the result in Physical Review Letters, where the paper is titled "Nonunique Decompositions of Mixed States and Deterministic Energy Transfers".
Ein Team der City University of Hong Kong wollte beweisen, dass eine bestimmte Art der Energieübertragung nicht funktionieren kann. Am Ende fand es einen Quantenweg, sie doch möglich zu machen. Unter Leitung von Oscar Dahlsten, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik, berichtet die Gruppe über das Ergebnis in Physical Review Letters. Die Arbeit trägt den Titel „Nonunique Decompositions of Mixed States and Deterministic Energy Transfers“.
Energy from natural sources often arrives with entropy, the physicists' word for randomness. That randomness is the problem: it makes the output hard to predict, and hard to turn into the steady power needed to charge a battery or run an electronic device. The study argues that a particular feature of quantum theory, the fact that a mixed state can be decomposed in more than one way, allows deterministic energy harvesting, or DEH. In this scheme, energy passes from source to harvester with no matching transfer of entropy.
Energie aus natürlichen Quellen kommt oft mit Entropie an, dem Begriff der Physiker für Zufälligkeit. Genau diese Zufälligkeit ist das Problem: Sie macht den Ertrag schwer vorhersagbar und schwer in die stetige Leistung umzuwandeln, die man zum Laden eines Akkus oder zum Betrieb eines elektronischen Geräts braucht. Die Studie argumentiert, dass ein bestimmtes Merkmal der Quantentheorie, nämlich die Tatsache, dass sich ein gemischter Zustand auf mehr als eine Weise zerlegen lässt, deterministische Energiegewinnung (Deterministic Energy Harvesting, DEH) ermöglicht. Bei diesem Verfahren gelangt Energie von der Quelle zum Energiesammler, ohne dass eine entsprechende Entropieübertragung stattfindet.
The mechanism works like this. A quantum harvester can be charged along several paths, each passing through a different intermediate superposition state, a combination of states that quantum theory allows at once. As long as the source drives the harvester into one of those transitions, the harvester reaches its charged state with certainty. Different source states could therefore, the authors argue, deliver energy in a predictable way.
Der Mechanismus funktioniert so: Ein Quanten-Energiesammler lässt sich über mehrere Pfade laden, wobei jeder über einen anderen Zwischenzustand der Superposition führt, also eine Kombination von Zuständen, die die Quantentheorie gleichzeitig zulässt. Solange die Quelle den Sammler in einen dieser Übergänge treibt, erreicht er seinen geladenen Zustand mit Sicherheit. Unterschiedliche Quellzustände könnten daher, so die Autoren, Energie auf vorhersagbare Weise liefern.
"We initially set out to show that such a protocol might be impossible," Dahlsten said. "To our surprise, our efforts led us to a quantum solution that could achieve exactly the deterministic energy transfer we were looking for."
„Wir wollten zunächst zeigen, dass ein solches Verfahren womöglich unmöglich ist“, sagte Dahlsten. „Zu unserer Überraschung führten unsere Bemühungen zu einer Quantenlösung, die genau die deterministische Energieübertragung erreichen kann, nach der wir gesucht hatten.“
The result is a theoretical foundation, not a device. The preprint appeared on arXiv in 2025 and the journal version in 2026, and the study describes no prototype and no measurement. The team gives no date for a working component, and the step from equations to hardware is not described. The authors present the framework as a route to converting ambient energy into usable power with minimal loss.
Das Ergebnis ist eine theoretische Grundlage, kein Gerät. Der Preprint erschien 2025 auf arXiv, die Fachzeitschriftenfassung 2026. Die Studie beschreibt weder einen Prototyp noch eine Messung. Das Team nennt kein Datum für eine funktionierende Komponente, und der Schritt von den Gleichungen zur Hardware wird nicht beschrieben. Die Autoren stellen den Ansatz als Weg dar, Umgebungsenergie mit minimalen Verlusten in nutzbaren Strom umzuwandeln.
For the devices the authors name, the framework is aimed at internet of things sensors, wearables, smart-city sensors and 6G devices that could draw power from ambient sources. The framework also points to a possible way to cut the fundamental losses of conventional AC-to-DC rectifiers, the circuits that turn the alternating current of the grid or of a radio signal into the direct current electronics use. Whether that gain holds outside a paper is the next test, and no timeline has been set for it.
Für die von den Autoren genannten Anwendungen zielt der Ansatz auf Sensoren für das Internet der Dinge, Wearables, Sensoren für Smart Cities und 6G-Geräte, die ihre Energie aus Umgebungsquellen beziehen könnten. Der Ansatz deutet außerdem auf einen möglichen Weg hin, die grundlegenden Verluste herkömmlicher AC-DC-Gleichrichter zu verringern, also jener Schaltungen, die den Wechselstrom aus dem Netz oder aus einem Funksignal in den Gleichstrom umwandeln, den Elektronik benötigt. Ob dieser Gewinn außerhalb eines Fachartikels Bestand hat, ist der nächste Test. Dafür ist bisher kein Zeitplan festgelegt.