양자 배터리란 무엇입니까? 내 노트북에는 언제 전원이 공급되나요?

현대 배터리는 224년의 역사에서 많은 발전을 이루었습니다. 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)의 금속 디스크 더미와 소금물에 젖은 천 대신에 우리는 이제 재충전이 필요하기 전까지 며칠 동안 지속될 수 있는 그레이엄 크래커 크기의 배터리를 갖게 되었습니다.

그런데 현재 시중에 나와 있는 장치의 상한선은 얼마입니까? 그 한계를 깨기 위해서는 어떤 종류의 기술적 과제를 극복해야 하며, 그러한 장애물은 언제 해소될까요? 에너지 저장의 미래는 무엇입니까?

전 세계 소수의 과학자들이 그 답을 찾기 위해 노력하고 있습니다. 고전 물리학이 아닌 양자 물리학의 법칙을 사용하여 충전을 유지하는 배터리 기술입니다. 갈 길은 멀고도 멀지만 로마는 하루아침에 건설되지 않았고 확실히 전력도 단 하루 만에 완성되지 않았습니다.

사랑받는 기본 배터리

배터리는 화학 반응을 이용해 전기 에너지를 생산하는 기술입니다. 가정용 배터리는 회로를 통한 전자의 흐름을 통해 전기 에너지를 생산합니다. 수세기에 걸쳐 다양한 배터리 셀이 개발되었습니다. 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 1749년 편지 에서 "전기 배터리"라는 용어를 만들어낸 것으로 알려져 있으며 , 그는 전기의 경이로움에 대한 재미있는 말로 결론을 내렸습니다.

우리 저녁 식사를 위해 전기 충격으로 칠면조 한 명이 죽임을 당할 것입니다. 전기 잭에 의해 구워지고, 전기 병에 의해 불이 붙기 전에; 영국, 프랑스, ​​​​독일의 모든 유명한 전기 기술자의 건강이 전기 배터리에서 총이 방전되는 동안 전기 범퍼에서 마실 때.

다양한 산과 금속의 화학 반응을 사용하여 배터리를 개발한 과학자들의 이름을 딴 몇 가지 다른 배터리 셀을 빠르게 살펴보세요. 1859년에 우리는 시스템을 통해 전류를 역전시켜 재충전할 수 있는 용량을 갖춘 최초의 납산 배터리를 얻었습니다. . 20세기 후반에 리튬 이온 배터리가 유행하게 되었고, 다른 금속 및 인산염과 결합된 리튬의 다양한 순열을 사용하여 기본적으로 그 이후로 인기를 유지해 왔습니다. 그러나 현대 배터리의 역사를 통틀어 전력을 생성하는 화학 반응의 기본 원리는 변하지 않았습니다.

좋아요, 배터리는 잊어버리세요. 도대체 '양자'란 무엇인가?

양자 물리학을 폭넓게 검토해 보겠습니다. 양자 상태의 입자는 구름 속 물부터 정맥을 흐르는 혈관에 이르기까지 주변에서 볼 수 있는 모든 것과는 완전히 다른 규칙 세트에 따라 작동합니다. 입자는 극한의 조건, 즉 매우 낮은 온도와 진공 상태에서 양자 상태로 들어갑니다. 이러한 조건에서 입자는 동시에 여러 가지처럼 작동할 수 있으므로 복잡한 수학적 연산( 양자 컴퓨터처럼 )과 같은 작업을 수행하고 시간 여행 (어떤 의미에서)이 가능한지 확인하는 데 유용합니다.

양자 시스템은 둘 이상의 양자 입자가 서로의 특성을 정의하는 현상인 얽힘을 나타낼 수도 있습니다 . 양자 컴퓨터에서 배열의 원자는 일반 컴퓨터의 비트와 마찬가지로 주어진 작업에 필요한 정보를 전달합니다. 이러한 원자는 양자 비트 또는 큐비트입니다.

그러나 양자 연산은 섬세합니다. 양자 시스템의 어떤 값이라도 확실해지면 그 작동은 무너집니다. 그러면 전체 시스템(예: 배열의 원자)이 다시 기본 상태로 돌아갑니다.

양자 상태는 오랫동안 지속될 수 있습니다. 2012년에 처음 제안된 물질 상태인 시간 결정은 올해 초 물리학자들이 최소 40분 동안 지속될 수 있음을 보여 주었으며 이는 알려진 다른 결정보다 약 천만 배 더 길었습니다. 이 결정은 양자 배터리와는 거리가 멀지만 일부 양자 시스템이 일반적으로 얼마나 덧없는지 보여줍니다. 이는 우리가 그러한 체제에 전력을 의존할 경우 해결해야 할 중요한 문제입니다.

그렇다면 양자 역학의 규칙이 배터리에 어떻게 적용됩니까? 이 기술을 사용하면 이 기사를 계속 읽을 수 있으며, 재충전한 후에도 계속 읽을 수 있습니까?

현재 상상하는 양자 배터리

일반 배터리와 마찬가지로 양자 배터리도 상상하는 대로 에너지를 저장합니다. 그러나 그것이 유사점이 끝나는 곳입니다. 배터리에 저장된 에너지를 충전하고 소비하는 화학 반응과 달리, 양자 배터리는 양자 얽힘 또는 배터리와 소스를 더욱 밀접하게 연결하는 동작에 의해 구동됩니다.

“양자 배터리는 하나의 큰 양자 배터리처럼 작동하는 많은 양자 셀로 구성됩니다.” 서울대학교 양자 연구원 김주연이 기즈모도에 보낸 이메일에서 말했습니다. "문제는 어떻게 양자 특성을 오랫동안 유지할 수 있는가 하는 것입니다."

양자 배터리에는 양자 컴퓨터와 동일한 속성이 적용되므로 이 기술이 연구 환경 외부에서 현실이 되는 것을 보려면 주요 기술적 과제를 해결해야 합니다. 물리학자는 가장 신중하게 관리되는 환경 외부에서 양자 시스템을 섬세한 상태로 유지하는 방법을 알아내야 합니다. 연구 설정. 상온 초전도체는 그런 성배가 될 것이지만 요즘 그러한 발견을 주장하는 유일한 사람들은 몇 달 안에 그들의 연구가 거짓임을 폭로했습니다 .

현재 사전 인쇄 서버 arXiv에서 호스팅되는 양자 배터리에 관한 최근 학회에서 5명의 과학자로 구성된 팀은 "평형 상태의 열역학은 에너지가 얼마나 빨리 열과 일로 변환되는지에 대한 경계를 설정하지 않습니다."라고 썼습니다 . "그러므로 평형에서 벗어난 양자 시스템에서 열역학적 양자 이점을 찾는 것이 자연스러운 것 같습니다."

연구진은 계속해서 양자 얽힘이 다체 양자 시스템에서 에너지를 얼마나 빨리 저장할 수 있는지와 관련이 있다는 점에 주목했습니다. 이는 에너지 저장 장치로서 양자 시스템에 대한 연구가 촉발된 발견입니다.

2018년에 팀은 고체 아키텍처에 존재한다고 최초로 제안된 Dicke 양자 배터리를 모델링했으며, 2022년에 팀은 타겟, 거울 및 레이저를 사용하여 실험실 환경에서 양자 배터리의 기본 프레임워크를 테스트했습니다. 빛.

최근 실험에서는 문제를 파고들고 있습니다.

작년 말, 양자 연구자 팀은 양자 배터리가 무한한 인과 순서(ICO)로 충전할 수 있는 시스템을 제안했습니다. Physical Review Letters 에 발표된 연구 결과 는 ICO를 사용한 과금 시스템이 기존 과금 프로토콜보다 성능이 뛰어날 수 있다고 가정했습니다.

“대략적으로 말하면, ICO는 인과 순서가 명확하거나 고정되어야 하는 표준 양자 이론에서는 불가능한 양자 프로세스를 구축하는 데 사용될 수 있습니다.”라고 도쿄 대학 연구원이자 연구의 주요 저자인 Yuanbo Chen이 말했습니다. , Gizmodo에 보낸 이메일에서. "이러한 유연성은 더욱 다양한 양자 프로세스를 가능하게 하며, 그 중 일부는 유리하고 흥미로운 특성을 보여줄 수 있습니다."

“우리는 시스템에 저장된 에너지와 열 효율 모두에서 큰 이득을 보았습니다. 그리고 다소 직관에 어긋나면서 우리는 예상했던 것과 반대되는 상호 작용의 놀라운 효과를 발견했습니다. 저전력 충전기는 동일한 장치를 사용하는 비교적 고전력 충전기보다 더 높은 효율성으로 더 높은 에너지를 제공할 수 있습니다.”라고 Chen은 말했습니다. 시간 .

제안 및 실현된 양자 배터리 시스템의 다양한 실험 설정은 이러한 미래 기술의 설계를 혁신할 수 있는 다양한 경로가 있음을 의미합니다. 지난달에는 그단스크 대학교와 캘거리 대학교 연구팀이 배터리에 저장된 에너지 양을 최대화하는 동시에 충전 과정에서 소실(또는 손실)되는 에너지 양을 최소화하는 양자 배터리 충전 시스템을 제안했다 . 팀 재설계의 일부는 양자 배터리와 충전기가 동일한 저장소에 결합되어 둘 사이의 에너지 전달 효율성을 향상시키는 간섭과 같은 패턴을 생성한다는 것입니다. 연구팀은 새로운 충전 과정을 통해 배터리가 기존 충전기를 사용할 때보다 4배 더 많은 에너지를 저장할 수 있을 것으로 추정했다.

호주 애들레이드 대학교의 양자 연구원인 제임스 콰치(James Quach)는 이메일에서 “양자 배터리는 분자나 원자가 함께 작용하는 파동처럼 행동하는 반면, 기존 배터리에서는 분자나 원자가 개별 입자처럼 작용합니다.”라고 말했습니다. 기즈모도에게. "이러한 집단적 행동은 더 큰 용량의 양자 배터리를 충전하는 데 더 적은 시간이 걸리는 양자 배터리의 초광범위 충전 특성을 뒷받침합니다."

2022년에 Quach가 이끄는 팀은 작은 공동에 Lumogen-F 오렌지라는 분자 염료를 넣고 여기에 빛을 펄스하여 빛의 광자가 전달하는 에너지를 어떻게 저장하는지 확인하여 양자 배터리의 기본 프레임워크를 테스트했습니다. 팀은 시스템이 매우 빠르게 충전되며 일반적으로 더 큰 시스템이 더 빨리 충전되어야 한다는 사실을 발견했습니다.

Quach는 “현재 나노~밀리초 동안 약 마이크로줄의 에너지를 저장하는 양자 배터리를 충전하는 데 펨토~피코초가 걸립니다.”라고 말했습니다. “길게 느껴지지는 않지만 실제로는 충전 시간보다 저장 시간이 백만 배 이상 길어요. 비교해 보면, 이는 충전하는 데 몇 분이 걸리고 수백 년 동안 충전을 유지할 수 있는 기존 배터리와 동일합니다.”

New Scientist 가 보고한 바와 같이 , 일부 물리학자들은 양자 배터리의 충전 시간이 시스템의 큐비트 수에 반비례한다는 이론을 세웠습니다. 즉, 배터리가 클수록 충전 속도가 빨라집니다.

그럼...양자 배터리는 언제 구할 수 있나요?

양자 배터리 연구가 주목을 받고 있지만 아직은 초기 단계입니다. 그들의 약속은 놀랍지만, 기술의 궁극적인 디자인이 무엇인지는 여전히 공개적인 질문으로 남아 있습니다. 상용화? 그것은 현재 가장 사업적인 물리학자의 눈에는 반짝임에 불과합니다.

주요 문제는 양자 시스템이 확장될 때 양자 상태를 유지하는 것입니다. Quach는 양자 배터리가 휴대폰과 자동차의 모바일 에너지원으로 사용될 수 있다고 믿고 있지만, 많은 양자 시스템은 현재 그러한 상태를 유지하기 위해 매우 차갑고 소음이 없는 조건이 필요합니다(여담으로, Quach의 2022년 실험 설정은 실온에서 작동했습니다). 독자 여러분의 사기를 떨어뜨리려는 의도는 아닙니다. 그러나 핵융합은 아마도 우리 장치의 양자 배터리보다 현실에 더 가까울 것입니다.

많은 회의적인 기자들이 이를 인정하기 싫어하지만 나는 내 말을 먹고 싶다. 옳은 것보다 더 나은 유일한 것은 틀린 것을 희생하면서 세상을 더 나은 곳으로 찾는 것입니다. 양자 배터리는 기존 장치보다 더 빠르고 효율적으로 충전할 수 있으며, 고급 시뮬레이션 및 측정에 사용되는 새로운 양자 기술과 통합될 수 있습니다. 완전히 작동하는 양자 배터리는 아직 시연되지 않았지만 최근 콜로키움에 따르면 이러한 기술은 에너지를 수확, 전달 및 제어하는 ​​방식에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 인류가 전기에 의존하고 있다는 점을 감안할 때 에너지 저장은 비약적인 발전을 이룰 수 있습니다.

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