量子バッテリーとは何ですか? いつノートパソコンに電力を供給しますか?

Jun 15 2024

エネルギー貯蔵の未来というウサギの穴に私と一緒に潜り込んでみませんか。

現代の電池は、224 年の歴史の中で長い道のりを歩んできました。アレッサンドロ・ボルタが使っていた金属の円盤と塩水に浸した布の山の代わりに、今ではグラハムクラッカーほどの大きさの電池が使われており、充電せずに何日も持ちます。

しかし、現在市場に出回っているデバイスの限界はどこにあるのでしょうか。その限界を突破するには、どのような技術的課題を克服しなければならないのでしょうか。そして、そのようなハードルはいつクリアされるのでしょうか。エネルギー貯蔵の未来はどうなるのでしょうか。

世界中の少数の科学者が、その答えを模索している。それは、古典物理学ではなく量子物理学の法則を利用して電荷を保持するバッテリー技術だ。それはまだまだ先の話だが、ローマは一日にして成らず、電力も一日にして成らず。

基本的で愛されているバッテリー

バッテリーは化学反応を利用して電気エネルギーを生成する技術です。家庭用バッテリーは回路を通る電子の流れによって電気エネルギーを生成します。何世紀にもわたってさまざまなバッテリーセルが開発されてきました。ベンジャミン・フランクリンは1749 年の手紙で「電気バッテリー」という用語を作り出したと考えられています。その手紙は、電気の驚異に関する面白い一節で締めくくられています。

七面鳥は私たちの夕食のために電気ショックで殺され、電気瓶で点火された火の前で電気ジャックで焼かれます。イギリス、フランス、ドイツの有名な電気技師全員の健康を祈って、電気バッテリーからの銃の放電の下、電気バンパーで飲むことになります。

さまざまな酸と金属の化学反応を利用して開発した科学者にちなんで名付けられたいくつかの異なる電池セルを経て、1859 年に鉛蓄電池が誕生しました。これは、システムを通じて電流を逆流させることで充電できる初めての電池です。20 世紀後半には、リチウムイオン電池が流行し、それ以来基本的に人気を保っています。この電池は、リチウムを他の金属やリン酸塩と組み合わせたさまざまな組み合わせを使用しています。しかし、現代の電池の歴史を通じて、電力を生み出す化学反応の基本原理は変わっていません。

さて、バッテリーのことは忘れてください。「量子」って一体何ですか?

量子物理学を大まかに簡単におさらいしましょう。量子状態の粒子は、雲の中の水から静脈を流れる血管まで、私たちの周りで目にするすべてのものとはまったく異なる一連のルールに従って動作します。粒子は、極低温や真空などの極端な条件下で量子状態になります。これらの条件下では、粒子は一度に複数の物体のように動作できるため、複雑な数学的演算 (量子コンピューターのように ) を実行したり、タイムトラベル (ある意味で) が可能かどうかを確認したりするのに役立ちます。

量子システムは、 2 つ以上の量子粒子が互いの特性を定義する現象であるエンタングルメントを示すこともあります。量子コンピュータでは、通常のコンピュータのビットと同様に、配列内の原子が特定の操作に必要な情報を保持します。これらの原子は量子ビット、つまりキュービットと呼ばれます。

しかし、量子演算は繊細です。量子システム内の値が確定した瞬間、演算は崩壊します。すると、システム全体、たとえば配列内の原子は、古典的な状態に戻ります。

量子状態は長時間持続することがある。2012年に初めて提唱された物質状態である時間結晶を例にとろう。物理学者は今年初め、この状態が少なくとも40分間持続できることを示した。これは他の既知の結晶の約1000万倍の長さである。これらの結晶は量子電池とはかけ離れているが、一部の量子システムが通常いかにはかないものであるかを示している。これは、電力供給のためにこのような体制に頼るつもりなら解決すべき重要な問題である。

では、充電すればこの記事を読み続け、さらにその後も読み続けることができる技術であるバッテリーに、量子力学の法則はどのように適用されるのでしょうか?

現在想像されている量子電池

通常の電池と同様に、量子電池は想像通りエネルギーを蓄えます。しかし、類似点はそれだけです。電池の蓄えられたエネルギーを充電したり消費したりする化学反応とは異なり、量子電池は量子もつれ、つまり電池とその電源をより密接に結びつける動作によって電力を供給されます。

「量子電池は、1つの大きな量子電池のように機能する多数の量子セルで構成されています」と、韓国のソウル国立大学の量子研究者ジュヨン・ジム氏はギズモードへのメールで述べた。「課題は、量子特性を長期間維持する方法です。」

量子電池には量子コンピューターと同じ特性が当てはまるため、研究環境以外でこの技術を現実のものにするには、大きな技術的課題をクリアする必要がある。物理学者は、最も慎重に管理された研究環境以外で量子システムを繊細な状態に保つ方法を見つけ出さなければならない。室温超伝導体はまさにそのような目標だが、最近では、そのような発見を主張していた人たちだけが、数か月以内にその研究が誤りであると暴露されている。

「平衡状態の熱力学は、エネルギーが熱と仕事に変換される速度に限界を設けない」と、現在プレプリントサーバーarXivでホストされている量子電池に関する最近のコロキウムで5人の科学者チームが書いた。「したがって、平衡状態から外れた量子システムで熱力学的量子的利点を求めるのは自然なことのように思われる。」

同研究グループはさらに、量子もつれは多体系量子系にエネルギーをどれだけ速く貯蔵できるかということと関連があると指摘し、この発見がエネルギー貯蔵装置としての量子系の研究を促した。

2018年に、あるチームが固体アーキテクチャに存在することが初めて提案されたディッケ量子電池をモデル化し、2022年には、ターゲット、ミラー、レーザー光を使用して、実験室環境で量子電池の基本的なフレームワークをテストしました。

最近の実験ではこの問題が取り上げられている

昨年末、量子研究者のチームが、量子電池を不定因果順序（ICO）で充電できるシステムを提案した。Physical Review Letters誌に発表された研究結果では、ICO を使用した充電システムは従来の充電プロトコルよりも性能が優れているとされている。

「大まかに言えば、ICO は因果関係の順序が明確、または固定されていなければならない標準的な量子理論では不可能な量子プロセスを構築するために使用できます」と、東京大学の研究者でこの研究の主執筆者である Yuanbo Chen 氏は Gizmodo への電子メールで述べています。「この柔軟性により、より多様な量子プロセスが可能になり、その一部は有利で興味深い特性を示す可能性があります。」

「システムに蓄えられたエネルギーと熱効率の両方で大きな向上が見られました。そして、多少直感に反しますが、予想とは逆の相互作用による驚くべき効果を発見しました。つまり、同じ装置を使用した同等の高出力充電器よりも、低出力充電器の方が高い効率で高いエネルギーを提供できるのです」とチェン氏は当時語った。

量子バッテリーシステムのさまざまな実験設定（提案されているものも実現されているものも含む）は、このような未来的な技術の設計を革新するためのさまざまな方法があることを意味します。先月、グダニスク大学とカルガリー大学のチームは、充電プロセスで散逸（または失われる）するエネルギーの量を最小限に抑えながら、バッテリーに蓄えられるエネルギーの量を最大化する量子バッテリー充電システムを提案しました。チームの再設計の一部は、量子バッテリーとその充電器が同じリザーバーに結合され、干渉のようなパターンを生み出して、2つの間のエネルギー転送の効率を向上させることです。チームは、新しい充電プロセスにより、従来の充電器を使用する場合よりもバッテリーが4倍のエネルギーを蓄えることができると見積もっています。

「量子電池は分子や原子が一斉に動く波のように動作しますが、従来の電池では分子や原子は個々の粒子のように動作します」と、オーストラリアのアデレード大学の量子研究者、ジェームズ・クアック氏はギズモードへのメールで述べた。「この集団的動作が量子電池の超広範な充電特性の基盤となっており、大容量の量子電池の充電にかかる時間が短縮されます。」

2022年、クアック氏が率いるチームは、ルモゲンFオレンジと呼ばれる分子染料を小さな空洞に入れ、それに光をパルス照射して光子によって伝達されたエネルギーがどのように蓄えられるかを調べることで、量子電池の基本的なフレームワークをテストした。チームは、システムの充電が驚くほど速く、大規模なシステムでは一般的に充電が速くなるはずだということを発見した。

「現在、ナノ秒からミリ秒で約 1 マイクロジュールのエネルギーを蓄える量子電池を充電するには、フェムト秒からピコ秒かかります」とクアック氏は言う。「これは長い時間のようには思えませんが、実際には蓄電時間は充電時間の 100 万倍以上です。比較すると、これは充電に数分かかる従来の電池が数百年間その電荷を保持できるのと同等です。」

New Scientistが報じているように、一部の物理学者は、量子電池の充電時間はシステム内の量子ビットの数に反比例すると理論づけている。言い換えれば、電池が大きいほど、充電が速くなるということだ。

それで...量子バッテリーはいつ入手できますか?

量子電池の研究は注目を集めているが、まだ初期段階にある。その将来性は素晴らしいが、この技術の最終的な設計がどうなるかは未解決の問題だ。商業化？それは、現時点では最もビジネス志向の強い物理学者の目には、まだ見えていない。

主な課題は、量子システムをスケールアップしても量子状態を維持することです。クアック氏は、量子電池は携帯電話や車のモバイル電源として使用できると考えていますが、多くの量子システムは現在、その状態を維持するために非常に低温でノイズのない条件を必要としています (余談ですが、クアック氏の 2022 年の実験装置は室温で動作していました)。読者の皆さんの士気をくじくつもりはありませんが、私たちのデバイスでは、量子電池よりも核融合の方が現実に近いでしょう。

多くの懐疑的な記者は認めたがらないが、私は喜んで自分の発言を撤回したい。正しいことよりも良いことは、間違っていることを犠牲にして世界をより良い場所にすることだけだ。量子電池は従来の装置よりも速く効率的に充電でき、高度なシミュレーションや測定に使用される新興の量子技術と統合できる可能性がある。完全に機能する量子電池はまだ実証されていないが、最近のコロキウムによると、そのような技術はエネルギーの収集、供給、制御の方法に革命をもたらす可能性がある。人類が明らかに電気に依存していることを考えると、エネルギー貯蔵は飛躍的に進歩する可能性がある。