Această nouă baterie se încarcă într-o cvadrilionime dintr-o secundă, dar nu te aștepta la telefonul tău curând
TL;DR: Oamenii de știință au construit un prototip de baterie cuantică care poate produce un curent electric după încărcare în femtosecunde, marcând un pas înainte pentru o tehnologie care a rămas în mare parte teoretică și limitată la experimente de laborator la scară mică. Prototipul este departe de a înlocui bateriile convenționale, dar oferă dovezi că efectele cuantice ar putea permite în cele din urmă un transfer mai rapid de energie în hardware-ul cuantic și alte sisteme specializate.
Dispozitivul, dezvoltat de o echipă condusă de cercetătorul în știința cuantică CSIRO James Quach, este conceput pentru a profita de un efect cuantic numit superabsorbție. În termeni simpli, cu cât sunt mai multe molecule implicate, cu atât mai repede sistemul poate absorbi energie.
Este opusul a ceea ce se întâmplă cu bateriile convenționale, care, în general, durează mai mult să se încarce pe măsură ce devin mai mari. Lucrarea nu înseamnă că bateriile cuantice sunt gata să le înlocuiască pe cele folosite în telefoane, laptopuri sau vehicule electrice. Prototipul stochează doar o cantitate mică de energie și o reține timp de nanosecunde. Totuși, cercetătorii spun că experimentul demonstrează că energia poate fi absorbită și extrasă rapid dintr-o baterie cuantică.
Prototipul folosește o microcavitate optică formată din două oglinzi separate de aproximativ 100 de nanometri. Spațiul dintre oglinzi este umplut cu molecule de colorant organic. Un laser strălucește în cavitate, determinând ca lumina și moleculele să interacționeze puternic.
Această interacțiune creează stări hibride de lumină-materie. Moleculele nu absorb energie în mod independent, așa cum ar fi într-un sistem clasic. În schimb, ei răspund colectiv.
Bateria se încarcă în femtosecunde sau cvadrilioane de secundă. Poate reține energia pentru nanosecunde, cu aproximativ șase ordine de mărime mai lungă decât perioada de încărcare.
Echipa lui Quach a demonstrat pentru prima dată superabsorbția în 2022. Noul experiment a adăugat capacitatea de a extrage un curent electric. Curentul rămâne mic, dar demonstrarea acestuia este un pas important pentru a face o baterie cuantică utilă dincolo de un experiment de fizică.
Nu se așteaptă ca bateriile cuantice să concureze cu bateriile convenționale doar prin stocarea mai multă energie. Principala lor atracție este posibilitatea de încărcare foarte rapidă și livrare precisă a energiei.
Dario Ferraro, profesor asociat de fizică la Universitatea din Genova, a declarat pentru BBC că bateriile cuantice sunt menite să îmbunătățească viteza și controlul livrării de energie, mai degrabă decât să crească semnificativ cantitatea de energie pe care o poate stoca o baterie.
Deocamdată, decalajul dintre prototip și o sursă de energie utilă rămâne mare. Dispozitivul poate reține doar câteva miliarde de electroni volți de energie și o reține pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Un sistem din lumea reală ar avea nevoie de o capacitate mult mai mare și de timpi de stocare mult mai mari.
Quach a spus că grupul său a construit un design hibrid menit să rezolve aceste limitări. Combină componente cuantice pentru încărcare rapidă cu straturi clasice care pot stoca energie pentru mai mult timp. El a spus că echipa pregătește o lucrare despre lucru.
Cercetătorii intenționează, de asemenea, să conecteze mai multe baterii microscopice. „Dacă facem aceste două lucruri, atunci suntem pe cale de a putea alimenta un dispozitiv convențional”, a spus Quach.
Sistemul de microcavități optice are un avantaj practic: funcționează la temperatura camerei. Alte modele de baterii cuantice folosesc materiale supraconductoare, care sunt deja importante în calculul cuantic, dar necesită condiții de funcționare extrem de reci.
Sistemele supraconductoare pot funcționa la temperaturi sub -150°C. „Acest lucru este în regulă pentru computerele cuantice, dar nu atât de util pentru a vă alimenta telefonul mobil”, a spus Quach.
Mauro Paternostro, un fizician cuantic la Universitatea Queen’s din Belfast, a declarat că abordarea optică este o modalitate puternică de a demonstra că încărcarea cuantică poate funcționa. Totuși, el a adăugat că poate fi dificil să extragi energie dintr-un astfel de sistem într-un mod controlat și util. „O microcavitate vă oferă o demonstrație frumoasă a ansamblului, dar un control slab asupra retragerii energiei într-o formă utilă, direcționată”, a spus el.
Prima utilizare practică a bateriilor cuantice, dacă ajung în acel punct, poate fi în hardware-ul cuantic, mai degrabă decât în electronicele de larg consum. Calculatoarele cuantice se bazează deja pe echipamente specializate, iar unele folosesc sisteme supraconductoare care funcționează la temperaturi criogenice.
Quach a spus că o baterie cuantică ar putea ajuta în cele din urmă la reducerea consumului de energie în dispozitivele cuantice și ar putea susține o funcționare mai rapidă și mai fiabilă. Cu toate acestea, aceste beneficii nu au fost încă demonstrate.
Ferraro a spus că efectele cuantice sunt fragile și se pot deteriora atunci când sistemul interacționează cu mediul său. El se așteaptă ca bateriile cuantice să rămână cele mai utile în aplicațiile la scară cuantică. „Din punctul meu de vedere… este puțin probabil ca bateriile cuantice să înlocuiască bateriile convenționale în aplicațiile de zi cu zi, cum ar fi telefoanele mobile sau vehiculele electrice”, a spus Ferraro. „Domeniul lor natural este scara cuantică”.
Cel mai recent prototip nu rezolvă această dezbatere. Acesta arată că cercetătorii pot folosi efectele cuantice pentru a încărca rapid un sistem și a extrage un curent electric. Următoarea provocare este construirea unui dispozitiv care să poată stoca mai multă energie, să o țină mai mult timp și să o elibereze acolo unde este nevoie.
