Apa Itu Baterai Kuantum? Dan Kapan Ini Akan Menghidupkan Laptop Saya?
Baterai modern telah berkembang pesat dalam 224 tahun sejarahnya. Sebagai pengganti tumpukan cakram logam dan kain yang direndam dalam air garam milik Alessandro Volta, kini kita memiliki baterai seukuran biskuit graham yang dapat bertahan berhari-hari sebelum perlu diisi ulang.
Namun berapa batas maksimum perangkat yang ada di pasaran saat ini? Tantangan teknis apa yang harus diatasi untuk menembus batas tersebut, dan kapan hambatan tersebut dapat diatasi? Bagaimana masa depan penyimpanan energi?
Sejumlah ilmuwan di seluruh dunia sedang mencari jawabannya: teknologi baterai yang menggunakan hukum fisika kuantum, bukan fisika klasik, untuk menahan muatan. Perjalanannya sangat panjang, namun Roma tidak dibangun dalam sehari—dan tentu saja tidak dibangun dalam satu hari.
Baterai dasar yang disukai
Baterai adalah sebuah teknologi yang menggunakan reaksi kimia untuk menghasilkan energi listrik. Baterai rumah tangga menghasilkan energi listrik melalui aliran elektron melalui suatu rangkaian. Sel baterai yang berbeda telah dikembangkan selama berabad-abad; Benjamin Franklin dianggap sebagai orang yang menciptakan istilah “baterai listrik” dalam suratnya pada tahun 1749 , yang diakhiri dengan riff lucu tentang keajaiban listrik:
Seorang Turki akan dibunuh untuk Makan Malam kita dengan Sengatan Listrik; dan dipanggang dengan Jack listrik, sebelum Api dinyalakan oleh Botol Listrik; ketika Kesehatan semua Teknisi Listrik Terkenal di Inggris, Perancis dan Jerman, diminum dalam Bumper Berlistrik, di bawah Pelepasan Senjata dari Baterai Listrik.
Melihat beberapa sel baterai yang berbeda, yang sebagian besar diberi nama sesuai nama ilmuwan yang mengembangkannya menggunakan reaksi kimia berbagai asam dan logam, dan pada tahun 1859 kita mendapatkan baterai timbal-asam—baterai pertama yang mampu mengisi ulang dengan membalikkan arus melalui sistem. . Pada akhir abad ke-20, baterai litium-ion menjadi populer dan pada dasarnya tetap populer sejak saat itu, menggunakan permutasi litium berbeda yang dikombinasikan dengan logam dan fosfat lain. Namun sepanjang sejarah baterai modern, prinsip dasar reaksi kimia yang menghasilkan tenaga listrik tidak berubah.
Oke, lupakan baterainya. Apa sih 'kuantum' itu?
Mari kita meninjau kembali fisika kuantum secara garis besar. Partikel dalam keadaan kuantum beroperasi berdasarkan seperangkat aturan yang sama sekali berbeda dari apa pun yang Anda lihat di sekitar Anda, mulai dari air di awan hingga pembuluh darah yang mengalir melalui pembuluh darah Anda. Partikel memasuki keadaan kuantum dalam kondisi ekstrem: suhu sangat dingin dan ruang hampa. Dalam kondisi ini, partikel dapat bertindak seperti banyak hal sekaligus, sehingga berguna untuk melakukan hal-hal seperti operasi matematika yang rumit ( seperti yang dilakukan komputer kuantum ) dan memeriksa apakah perjalanan waktu (dalam arti tertentu) mungkin dilakukan.
Sistem kuantum juga dapat menunjukkan keterjeratan , sebuah fenomena di mana dua atau lebih partikel kuantum menentukan karakteristik satu sama lain. Dalam komputer kuantum , atom dalam array membawa informasi yang diperlukan untuk operasi tertentu, seperti yang dilakukan bit pada komputer biasa. Atom-atom ini adalah bit kuantum, atau qubit.
Namun operasi kuantum sangatlah rumit. Saat nilai apa pun dalam sistem kuantum dipastikan, operasinya menjadi berantakan. Seluruh sistem—misalnya, atom dalam suatu susunan—kemudian kembali ke keadaan klasik.
Keadaan kuantum dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama. Contohnya kristal waktu, suatu keadaan materi yang pertama kali diusulkan pada tahun 2012 yang awal tahun ini ditunjukkan oleh fisikawan dapat bertahan setidaknya selama 40 menit , sekitar 10 juta kali lebih lama dibandingkan kristal lain yang diketahui. Kristal-kristal ini jauh berbeda dengan baterai kuantum, namun menunjukkan betapa cepatnya berlalunya sistem kuantum pada umumnya—masalah penting yang harus diselesaikan jika kita ingin bergantung pada sistem energi tersebut.
Jadi bagaimana aturan mekanika kuantum berlaku pada baterai, teknologi yang memungkinkan Anda terus membaca artikel ini dan mungkin lebih banyak lagi setelahnya, setelah Anda mengisi ulang?
Baterai kuantum, seperti yang dibayangkan saat ini
Seperti baterai biasa, baterai kuantum—seperti yang dibayangkan—menyimpan energi. Namun di situlah kesamaannya berakhir. Berbeda dengan reaksi kimia yang mengisi dan menghabiskan energi yang tersimpan dalam baterai, baterai kuantum ditenagai oleh belitan kuantum atau perilaku yang mengikat baterai dan sumbernya lebih dekat.
“Baterai kuantum terdiri dari banyak sel kuantum yang bertindak seperti satu baterai kuantum besar,” kata Ju-Yeon Gyhm, peneliti kuantum di Universitas Nasional Seoul di Korea Selatan, melalui email ke Gizmodo. “Tantangannya adalah bagaimana mempertahankan properti kuantum untuk jangka waktu yang lama.”
Karena sifat yang sama berlaku pada baterai kuantum seperti halnya komputer kuantum, tantangan teknis utama harus diatasi agar teknologi ini menjadi kenyataan di luar lingkungan penelitian: Fisikawan harus mencari cara untuk menjaga sistem kuantum dalam kondisi rumit di luar lingkungan yang dikelola dengan sangat hati-hati. pengaturan penelitian. Superkonduktor pada suhu ruangan akan menjadi sebuah cawan yang sangat sulit, namun saat ini satu-satunya orang yang mengklaim penemuan semacam itu telah dibantah dalam waktu beberapa bulan .
“Termodinamika pada kesetimbangan tidak menentukan batasan seberapa cepat energi diubah menjadi panas dan kerja,” tulis tim yang terdiri dari lima ilmuwan dalam kolokium baru-baru ini tentang baterai kuantum, yang saat ini dihosting di server pracetak arXiv. “Oleh karena itu, wajar untuk mencari keuntungan kuantum termodinamika dalam sistem kuantum yang berada di luar keseimbangan.”
Kelompok ini melanjutkan dengan mencatat bahwa keterjeratan kuantum dikaitkan dengan seberapa cepat energi dapat disimpan dalam sistem kuantum banyak benda, sebuah penemuan yang mendorong penelitian terhadap sistem kuantum sebagai perangkat penyimpanan energi.
Pada tahun 2018, sebuah tim memodelkan baterai kuantum Dicke, yang pertama kali diusulkan untuk ada dalam arsitektur solid-state, dan pada tahun 2022 , sebuah tim menguji kerangka dasar untuk baterai kuantum di laboratorium menggunakan target, cermin, dan laser. lampu.
Eksperimen terbaru mengungkap masalah ini
Akhir tahun lalu, tim peneliti kuantum mengusulkan sebuah sistem dimana baterai kuantum dapat diisi dalam urutan sebab akibat yang tidak terbatas, atau ICO. Temuan mereka— diterbitkan dalam Physical Review Letters — menyatakan bahwa sistem pengisian daya dengan ICO dapat mengungguli protokol pengisian daya konvensional.
“Secara kasar, ICO dapat digunakan untuk membangun proses kuantum yang tidak mungkin dilakukan dalam teori kuantum standar, di mana urutan sebab akibat harus pasti, atau tetap,” kata Yuanbo Chen, peneliti di Universitas Tokyo dan penulis utama penelitian tersebut. , dalam email ke Gizmodo. “Fleksibilitas ini memungkinkan variasi proses kuantum yang lebih luas, beberapa di antaranya mungkin menunjukkan sifat yang menguntungkan dan menarik.”
“Kami melihat peningkatan besar dalam hal energi yang disimpan dalam sistem dan efisiensi termal. Dan agak berlawanan dengan intuisi, kami menemukan efek mengejutkan dari interaksi yang kebalikan dari apa yang mungkin Anda harapkan: Pengisi daya berdaya rendah dapat memberikan energi lebih tinggi dengan efisiensi lebih besar dibandingkan pengisi daya berdaya lebih tinggi yang menggunakan peralatan yang sama,” kata Chen di acara tersebut. waktu .
Pengaturan eksperimental sistem baterai kuantum yang berbeda—baik yang diusulkan maupun direalisasikan—berarti terdapat jalur berbeda untuk berinovasi dalam desain teknologi futuristik tersebut. Bulan lalu, tim dari Universitas Gdansk dan Universitas Calgary mengusulkan sistem pengisian baterai kuantum yang memaksimalkan jumlah energi yang disimpan dalam baterai sekaligus meminimalkan jumlah energi yang hilang (atau hilang) dalam proses pengisian daya. Bagian dari desain ulang tim adalah baterai kuantum dan pengisi dayanya dipasangkan ke reservoir yang sama, menghasilkan pola seperti interferensi yang meningkatkan efisiensi transfer energi di antara keduanya. Tim memperkirakan baterai dapat menyimpan energi empat kali lebih banyak melalui proses pengisian baru dibandingkan menggunakan pengisi daya konvensional.
“Baterai kuantum bertindak lebih seperti gelombang di mana molekul atau atom bertindak secara serempak, sedangkan dalam baterai konvensional, molekul atau atom bertindak lebih seperti partikel individu,” kata James Quach, peneliti kuantum di Universitas Adelaide di Australia, melalui email. ke Gizmodo. “Perilaku kolektif inilah yang mendasari sifat pengisian baterai kuantum yang super ekstensif, di mana dibutuhkan lebih sedikit waktu untuk mengisi daya baterai kuantum dengan kapasitas lebih besar.”
Pada tahun 2022 , tim yang dipimpin oleh Quach menguji kerangka dasar baterai kuantum dengan memasukkan pewarna molekuler yang disebut oranye Lumogen-F ke dalam rongga kecil, dan memancarkan cahaya ke dalamnya untuk melihat bagaimana baterai menyimpan energi yang ditransmisikan oleh foton cahaya. Tim menemukan bahwa sistem mengisi daya dengan sangat cepat, dan sistem yang lebih besar biasanya dapat mengisi daya lebih cepat.
“Saat ini dibutuhkan femto- hingga pikodetik untuk mengisi baterai kuantum yang menyimpan energi sekitar satu mikrojoule untuk nano hingga milidetik,” kata Quach. “Meski kedengarannya tidak lama, waktu penyimpanannya sebenarnya jutaan kali lebih lama dibandingkan waktu pengisiannya. Sebagai perbandingan, baterai ini setara dengan baterai konvensional yang hanya membutuhkan waktu beberapa menit untuk mengisi dayanya, dan mampu menahan daya tersebut selama ratusan tahun.”
Seperti dilansir New Scientist , beberapa fisikawan berteori bahwa waktu pengisian baterai kuantum berbanding terbalik dengan jumlah qubit dalam sistem; dengan kata lain, semakin besar baterainya, semakin cepat pula pengisian dayanya.
Jadi...kapan saya bisa mendapatkan baterai kuantum?
Penelitian tentang baterai kuantum semakin mendapat perhatian, namun masih dalam tahap awal. Meskipun janji mereka luar biasa, desain akhir dari teknologi ini masih menjadi pertanyaan terbuka. Komersialisasi? Itu hanyalah sebuah kilatan di mata fisikawan yang paling berpikiran bisnis saat ini.
Masalah utamanya adalah menjaga sistem kuantum tetap berada dalam keadaan kuantum ketika skalanya ditingkatkan. Quach percaya bahwa baterai kuantum dapat digunakan sebagai sumber energi seluler di ponsel dan mobil, tetapi banyak sistem kuantum saat ini memerlukan kondisi yang sangat dingin dan tanpa suara agar tetap seperti itu (selain itu, pengaturan eksperimental Quach pada tahun 2022 beroperasi pada suhu kamar). Bukan untuk melemahkan semangat Anda, pembaca yang budiman, tetapi fusi nuklir mungkin lebih mendekati kenyataan dibandingkan baterai kuantum di perangkat kita.
Meskipun banyak reporter skeptis yang enggan mengakuinya, saya ingin sekali menerima kata-kata saya. Satu-satunya hal yang lebih baik daripada menjadi benar adalah menemukan dunia menjadi tempat yang lebih baik dengan mengorbankan kesalahan. Baterai kuantum dapat mengisi daya lebih cepat dan lebih efisien dibandingkan perangkat klasik, dan dapat berintegrasi dengan teknologi kuantum yang sedang berkembang yang digunakan untuk simulasi dan pengukuran tingkat tinggi. Baterai kuantum yang beroperasi penuh belum dapat dibuktikan, namun menurut kolokium baru-baru ini, teknologi tersebut dapat merevolusi cara kita memanen, menyalurkan, dan mengendalikan energi. Mengingat ketergantungan umat manusia pada listrik , penyimpanan energi memerlukan lompatan kuantum.
Lebih lanjut: Fisikawan Membuat Komputer Kuantum Bekerja dengan Meledaknya Dengan Deret Fibonacci
