Qu’est-ce qu’une batterie quantique ? Et quand alimentera-t-il mon ordinateur portable ?

Jun 15 2024

Rejoignez-moi dans le terrier du lapin de l'avenir du stockage d'énergie.

La batterie moderne a parcouru un long chemin au cours de ses 224 ans d’histoire. À la place des tas de disques métalliques et de tissus imbibés de saumure d'Alessandro Volta, nous avons désormais des batteries de la taille d'un biscuit Graham qui peuvent durer des jours avant de devoir être rechargées.

Mais quel est le plafond des appareils actuellement sur le marché ? Quels types de défis techniques doivent être surmontés pour briser ce plafond, et quand ces obstacles seront-ils surmontés ? Quel avenir pour le stockage d’énergie ?

Une poignée de scientifiques du monde entier travaillent sur une réponse : une technologie de batterie qui utilise les lois de la physique quantique, plutôt que la physique classique, pour maintenir une charge. C'est très loin, mais Rome ne s'est pas construite en un jour, et elle n'a certainement pas été alimentée en un seul jour.

La batterie de base et bien-aimée

Une batterie est un élément technologique qui utilise des réactions chimiques pour produire de l’énergie électrique. Les batteries domestiques produisent de l’énergie électrique via le flux d’électrons à travers un circuit. Différentes cellules de batterie ont été développées au fil des siècles ; On considère que Benjamin Franklin a inventé le terme « batterie électrique » dans une lettre de 1749 , qu'il a conclue par un riff amusant sur les merveilles de l'électricité :

Un dindon doit être tué pour nos dîners par le choc électrique ; et rôti par le Jack électrique, devant un Feu allumé par la Bouteille Électrifiée ; quand les santés de tous les électriciens célèbres d'Angleterre, de France et d'Allemagne doivent être bues dans des pare-chocs électrifiés, sous la décharge des canons de la batterie électrique.

Avance rapide à travers quelques cellules de batterie différentes, pour la plupart nommées en hommage aux scientifiques qui les ont développées en utilisant des réactions chimiques de divers acides et métaux, et en 1859, nous avons obtenu la batterie au plomb, la première avec la capacité de se recharger en inversant le courant dans le système. . À la fin du 20e siècle, la batterie lithium-ion est devenue à la mode et est restée populaire depuis, utilisant différentes permutations de lithium combinées à d’autres métaux et phosphates. Mais tout au long de l’histoire des batteries modernes, le principe de base d’une réaction chimique engendrant de l’énergie électrique n’a pas changé.

Bon, oublie la batterie. Qu'est-ce que c'est que le « quantique » ?

Passons rapidement en revue la physique quantique dans ses grandes lignes. Les particules dans les états quantiques fonctionnent selon un ensemble de règles totalement différentes de celles de tout ce que vous voyez autour de vous, de l’eau des nuages aux vaisseaux sanguins qui circulent dans vos veines. Les particules entrent dans des états quantiques dans des conditions extrêmes : des températures très froides et dans le vide. Dans ces conditions, les particules peuvent agir comme plusieurs choses à la fois, ce qui les rend utiles pour effectuer des opérations mathématiques complexes ( comme le fait un ordinateur quantique ) et vérifier si le voyage dans le temps (dans un sens) est possible.

Les systèmes quantiques peuvent également présenter une intrication , un phénomène par lequel deux ou plusieurs particules quantiques définissent les caractéristiques les unes des autres. Dans les ordinateurs quantiques , les atomes d'un réseau transportent les informations nécessaires à l'opération donnée, comme le font les bits dans un ordinateur ordinaire. Ces atomes sont des bits quantiques, ou qubits.

Mais les opérations quantiques sont délicates. Dès qu’une valeur dans un système quantique est assurée, l’opération s’effondre. L’ensemble du système – par exemple les atomes d’un réseau – est alors de retour dans un état classique.

Les états quantiques peuvent persister longtemps. Prenez les cristaux de temps, un état de la matière proposé pour la première fois en 2012 et dont les physiciens ont montré plus tôt cette année qu'il pouvait persister pendant au moins 40 minutes , soit environ 10 millions de fois plus longtemps que les autres cristaux connus. Ces cristaux sont très éloignés des batteries quantiques, mais montrent à quel point certains systèmes quantiques sont normalement éphémères – un problème important à résoudre si nous voulons un jour compter sur de tels régimes pour l'énergie.

Alors, comment les règles de la mécanique quantique s’appliquent-elles à une batterie, la technologie qui vous permet de continuer à lire cet article et peut-être plus par la suite, une fois rechargée ?

Les batteries quantiques, telles qu'on l'imagine actuellement

Comme les batteries normales, les batteries quantiques, telles qu’on les imagine, stockent de l’énergie. Mais c'est là que s'arrêtent les similitudes. Contrairement aux réactions chimiques qui chargent et dépensent l’énergie stockée dans une batterie, les batteries quantiques sont alimentées par une intrication quantique ou par des comportements qui lient plus étroitement la batterie à sa source.

"Les batteries quantiques sont composées de nombreuses cellules quantiques qui agissent comme une grande batterie quantique", a déclaré Ju-Yeon Gyhm, chercheur quantique à l'Université nationale de Séoul en Corée du Sud, dans un e-mail adressé à Gizmodo. "Le défi est de savoir comment conserver les propriétés quantiques pendant longtemps."

Étant donné que les mêmes propriétés s'appliquent aux batteries quantiques que les ordinateurs quantiques, un défi technique majeur doit être surmonté pour voir la technologie devenir une réalité en dehors du cadre de la recherche : les physiciens doivent trouver comment maintenir les systèmes quantiques dans leurs états délicats en dehors des systèmes les plus soigneusement gérés. paramètres de recherche. Un supraconducteur à température ambiante serait un tel Graal, mais de nos jours, les seules personnes revendiquant une telle découverte ont vu leur travail démystifié en quelques mois .

"La thermodynamique à l'équilibre ne fixe pas de limites à la rapidité avec laquelle l'énergie est transformée en chaleur et en travail", a écrit une équipe de cinq scientifiques lors d'un récent colloque sur les batteries quantiques, actuellement hébergé sur le serveur de préimpression arXiv. "Il semble donc naturel de rechercher des avantages quantiques thermodynamiques dans des systèmes quantiques hors d'équilibre."

Le groupe a ensuite noté que l'intrication quantique est liée à la rapidité avec laquelle l'énergie peut être stockée dans les systèmes quantiques à N corps, une découverte qui a incité à la recherche sur les systèmes quantiques en tant que dispositifs de stockage d'énergie.

En 2018, une équipe a modélisé la batterie quantique de Dicke, la première proposée à exister dans une architecture à semi-conducteurs, et en 2022 , une équipe a testé un cadre de base pour une batterie quantique en laboratoire à l'aide d'une cible, de miroirs et d'un laser. lumière.

Des expériences récentes contournent le problème

À la fin de l’année dernière, une équipe de chercheurs quantiques a proposé un système par lequel les batteries quantiques pourraient se charger selon un ordre causal indéfini, ou ICO. Leurs conclusions, publiées dans Physical Review Letters , suggèrent qu'un système de recharge avec ICO pourrait surpasser les protocoles de recharge conventionnels.

"En gros, l'ICO peut être utilisée pour construire des processus quantiques qui ne sont pas possibles dans la théorie quantique standard, où l'ordre causal doit être défini ou fixé", a déclaré Yuanbo Chen, chercheur à l'Université de Tokyo et auteur principal de la recherche. , dans un e-mail à Gizmodo. "Cette flexibilité permet une plus grande variété de processus quantiques, dont certains peuvent présenter des propriétés avantageuses et intéressantes."

« Nous avons constaté d'énormes gains à la fois en termes d'énergie stockée dans le système et d'efficacité thermique. Et de manière quelque peu contre-intuitive, nous avons découvert l'effet surprenant d'une interaction qui est l'inverse de ce à quoi on pourrait s'attendre : un chargeur de faible puissance pourrait fournir des énergies plus élevées avec une plus grande efficacité qu'un chargeur de puissance comparable utilisant le même appareil », a déclaré Chen lors de la conférence de presse. temps .

Différentes configurations expérimentales de systèmes de batteries quantiques – à la fois proposées et réalisées – signifient qu’il existe différentes voies pour innover dans la conception d’une technologie aussi futuriste. Le mois dernier, une équipe de l'Université de Gdansk et de l'Université de Calgary a proposé un système de charge de batterie quantique qui maximise la quantité d'énergie stockée dans la batterie tout en minimisant la quantité d'énergie qui se dissipe (ou est perdue) pendant le processus de charge. Une partie de la refonte de l'équipe réside dans le fait que la batterie quantique et son chargeur sont couplés au même réservoir, produisant un motif semblable à une interférence qui améliore l'efficacité du transfert d'énergie entre les deux. L’équipe estime que la batterie peut stocker quatre fois plus d’énergie grâce au nouveau processus de charge qu’en utilisant un chargeur conventionnel.

“Quantum batteries act more like a wave where the molecules or atoms act in unison, whereas in conventional batteries the molecules or atoms act more like individual particles,” said James Quach, a quantum researcher at the University of Adelaide in Australia, in an email to Gizmodo. “This collective behavior is what underpins the superextensive charging properties of quantum batteries, where it takes less time to charge quantum batteries of larger capacity.”

In 2022, a team led by Quach tested out a basic framework of a quantum battery by putting molecular dye called Lumogen-F orange in a small cavity, and pulsed light at it to see how it stored the energy transmitted by the photons of light. The team found that the system charged up remarkably fast, and that larger systems generally ought to charge faster.

“Currently it takes femto- to picoseconds to charge a quantum battery that stores about a microjoule of energy for nano- to milliseconds,” Quach said. “Although this does not sound like a long time, its storage time is actually more than million times longer than its charging time. As a comparison, this would be equivalent to a conventional battery which takes minutes to charge, being able to hold that charge for hundreds of years.”

As reported by New Scientist, some physicists theorize that a quantum battery’s charge time is inversely proportional to the number of qubits in the system; in other words, the bigger the battery, the faster it charges.

So...when can I get a quantum battery?

Quantum battery research is gaining traction, but it’s still very much in its infancy. Though their promise is remarkable, what the ultimate design of the technology will be remains an open question. Commercialization? That’s but a twinkle in the eye of the most business-minded physicist at the moment.

The chief issue remains getting quantum systems to stay in a quantum state when they scale up. Quach believes that quantum batteries could be used as a mobile energy source in phones and cars, but many quantum systems currently need very cold, noiseless conditions to stay that way (as an aside, Quach’s 2022 experimental setup operated at room temperature). Not to demoralize you, dear reader, but nuclear fusion is probably closer to reality than quantum batteries in our devices.

Même si de nombreux journalistes sceptiques répugnent à l’admettre, j’adorerais ronger mes mots. La seule chose qui vaut mieux que d’avoir raison est de trouver un monde meilleur au prix d’avoir tort. Les batteries quantiques pourraient se charger plus rapidement et plus efficacement que les appareils classiques, et pourraient s’intégrer aux technologies quantiques naissantes utilisées pour des simulations et des mesures sophistiquées. Une batterie quantique pleinement opérationnelle n’a pas encore été démontrée, mais selon le récent colloque, une telle technologie pourrait révolutionner la façon dont nous récoltons, livrons et contrôlons l’énergie. Compte tenu de la dépendance évidente de l’humanité à l’égard de l’électricité , le stockage de l’énergie pourrait faire un pas de géant.