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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".
Un team della City University of Hong Kong voleva dimostrare che un certo tipo di trasferimento di energia non poteva funzionare. Alla fine ha trovato un modo quantistico per farlo funzionare. Guidato da Oscar Dahlsten, professore associato al Dipartimento di Fisica, il gruppo presenta il risultato su Physical Review Letters, dove l'articolo è intitolato «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.
L'energia da fonti naturali arriva spesso con entropia, parola con cui i fisici indicano la casualità. È proprio questa casualità il problema: rende l'uscita difficile da prevedere e difficile da trasformare nella potenza costante necessaria a caricare una batteria o a far funzionare un dispositivo elettronico. Lo studio sostiene che una particolare caratteristica della teoria quantistica, cioè il fatto che uno stato misto può essere scomposto in più di un modo, consente la raccolta deterministica di energia, o DEH. In questo schema, l'energia passa dalla sorgente al raccoglitore senza un corrispondente trasferimento di entropia.
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.
Il meccanismo funziona così. Un raccoglitore quantistico può essere caricato lungo diversi percorsi, ciascuno dei quali passa attraverso uno stato intermedio di sovrapposizione diverso, cioè una combinazione di stati che la teoria quantistica consente contemporaneamente. Finché la sorgente spinge il raccoglitore in una di queste transizioni, il raccoglitore raggiunge lo stato carico con certezza. Stati diversi della sorgente potrebbero quindi, sostengono gli autori, fornire energia in modo prevedibile.
"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."
«Inizialmente volevamo dimostrare che un protocollo del genere potesse essere impossibile», ha dichiarato Dahlsten. «Con nostra sorpresa, il nostro lavoro ci ha portato a una soluzione quantistica in grado di ottenere proprio il trasferimento deterministico di energia che cercavamo».
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.
Il risultato è una base teorica, non un dispositivo. Il preprint è apparso su arXiv nel 2025 e la versione sulla rivista nel 2026, ma lo studio non descrive alcun prototipo né alcuna misura. Il team non indica una data per un componente funzionante e il passaggio dalle equazioni all'hardware non viene descritto. Gli autori presentano il quadro come una via per convertire l'energia ambientale in energia utilizzabile con perdite minime.
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.
Tra i dispositivi indicati dagli autori, il quadro è pensato per sensori dell'internet delle cose, dispositivi indossabili, sensori per le smart city e dispositivi 6G che potrebbero attingere energia da fonti ambientali. Il quadro indica anche una possibile strada per ridurre le perdite intrinseche dei raddrizzatori tradizionali da corrente alternata a continua, i circuiti che trasformano la corrente alternata della rete o di un segnale radio nella corrente continua usata dall'elettronica. Resta da vedere se questo guadagno regge al di fuori dell'articolo: sarà il prossimo banco di prova, e per ora non è stata fissata alcuna scadenza.