Co to jest bateria kwantowa? Kiedy będzie zasilał mój laptop?
Nowoczesna bateria przeszła długą drogę w swojej 224-letniej historii. W miejsce stosów metalowych dysków i nasączonej solanką tkaniny Alessandro Volty mamy teraz baterie wielkości krakersa grahamowego, które wystarczą na kilka dni, zanim będą wymagały ponownego naładowania.
Ale jaki jest pułap urządzeń dostępnych obecnie na rynku? Jakiego rodzaju wyzwania techniczne należy pokonać, aby przełamać ten sufit i kiedy takie przeszkody zostaną usunięte? Jaka przyszłość czeka magazynowanie energii?
Garść naukowców na całym świecie pracuje nad odpowiedzią: technologią akumulatorów, która do utrzymywania ładunku wykorzystuje prawa fizyki kwantowej zamiast fizyki klasycznej. To długa, bardzo długa droga, ale nie od razu Rzym zbudowano – a już na pewno nie od razu zasiliono go energią.
Podstawowa, ukochana bateria
Bateria to element technologii wykorzystujący reakcje chemiczne do wytworzenia energii elektrycznej. Baterie domowe wytwarzają energię elektryczną poprzez przepływ elektronów w obwodzie. Na przestrzeni wieków opracowano różne ogniwa akumulatorowe; Uważa się, że Benjamin Franklin ukuł termin „bateria elektryczna” w liście z 1749 r. , który zakończył zabawnym riffem na temat cudów elektryczności:
Turek ma zostać zabity na nasze obiady przez porażenie prądem; i pieczone na elektrycznym Jacku, przed Ogniem rozpalonym przez Zelektryfikowaną Butelkę; kiedy Zdrowie wszystkich sławnych elektryków w Anglii, Francji i Niemczech będzie wypijane w zelektryfikowanych zderzakach, w ramach wyładowania broni z akumulatora elektrycznego.
Przejdźmy szybko do kilku różnych ogniw akumulatorowych, nazwanych głównie na cześć naukowców, którzy je opracowali na podstawie reakcji chemicznych różnych kwasów i metali, a w 1859 roku otrzymaliśmy akumulator kwasowo-ołowiowy — pierwszy, który mógł być ładowany poprzez odwrócenie prądu płynącego przez system . Pod koniec XX wieku akumulatory litowo-jonowe stały się modne i od tego czasu zasadniczo pozostają popularne, wykorzystując różne kombinacje litu w połączeniu z innymi metalami i fosforanami. Jednak w całej historii współczesnych akumulatorów podstawowa zasada reakcji chemicznej, w wyniku której powstaje energia elektryczna, nie uległa zmianie.
OK, zapomnij o baterii. Co to do cholery jest „kwantowe”?
Przyjrzyjmy się szybko fizyce kwantowej w ogólnych zarysach. Cząstki w stanach kwantowych działają według zupełnie innych zasad niż wszystko, co widzisz wokół siebie, od wody w chmurach po naczynia krwionośne krążące w twoich żyłach. Cząstki wchodzą w stany kwantowe w ekstremalnych warunkach: bardzo niskich temperaturach i próżni. W takich warunkach cząstki mogą zachowywać się jak wiele rzeczy jednocześnie, co czyni je przydatnymi do wykonywania skomplikowanych operacji matematycznych ( jak robi to komputer kwantowy ) i sprawdzania, czy podróże w czasie (w pewnym sensie) są możliwe.
Układy kwantowe mogą również wykazywać splątanie – zjawisko, w wyniku którego dwie lub więcej cząstek kwantowych określa wzajemne cechy. W komputerach kwantowych atomy w układzie niosą informację niezbędną do wykonania danej operacji, tak jak bity w zwykłym komputerze. Atomy te to bity kwantowe, czyli kubity.
Ale operacje kwantowe są delikatne. W momencie, gdy jakakolwiek wartość w układzie kwantowym jest pewna, operacja się rozpada. Cały system – na przykład atomy w układzie – powraca do stanu klasycznego.
Stany kwantowe mogą utrzymywać się przez długi czas. Weźmy kryształy czasu – stan materii zaproponowany po raz pierwszy w 2012 r., który na początku tego roku, jak wykazali fizycy, może utrzymywać się przez co najmniej 40 minut , czyli około 10 milionów razy dłużej niż inne znane kryształy. Kryształy te są daleko od baterii kwantowych, ale pokazują, jak ulotne są zwykle niektóre systemy kwantowe – ważny problem do rozwiązania, jeśli kiedykolwiek będziemy polegać na takich reżimach w zakresie zasilania.
Jak więc zasady mechaniki kwantowej mają zastosowanie do baterii – technologii, która pozwala na dalsze czytanie tego artykułu, a może i kolejnych, po naładowaniu?
Baterie kwantowe, takie jak obecnie sobie wyobrażamy
Podobnie jak zwykłe baterie, baterie kwantowe – jak się je sobie wyobraża – magazynują energię. Ale na tym podobieństwa się kończą. W przeciwieństwie do reakcji chemicznych, które zarówno ładują, jak i zużywają energię zmagazynowaną w baterii, baterie kwantowe są zasilane w wyniku splątania kwantowego lub zachowań, które ściślej łączą baterię z jej źródłem.
„Baterie kwantowe składają się z wielu ogniw kwantowych, które działają jak jedna duża bateria kwantowa” – powiedział w e-mailu do Gizmodo Ju-Yeon Gyhm, badacz kwantowy na Uniwersytecie Narodowym w Seulu w Korei Południowej. „Wyzwanie polega na tym, jak utrzymać właściwości kwantowe przez długi czas”.
Ponieważ te same właściwości mają baterie kwantowe co komputery kwantowe, należy stawić czoła poważnemu wyzwaniu technicznemu, aby technologia stała się rzeczywistością poza warunkami badawczymi: fizycy muszą dowiedzieć się, jak utrzymać układy kwantowe w ich delikatnych stanach poza najstaranniej zarządzanymi ustawienia badawcze. Nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej byłby takim Graalem, ale w dzisiejszych czasach jedyni ludzie, którzy twierdzili, że dokonali takiego odkrycia, zostali zdemaskowani w ciągu kilku miesięcy .
„Termodynamika w stanie równowagi nie wyznacza granic szybkości przekształcania energii w ciepło i pracę” – napisał zespół pięciu naukowców podczas niedawnego kolokwium na temat baterii kwantowych, które jest obecnie dostępne na serwerze preprint arXiv. „Dlatego naturalne wydaje się poszukiwanie termodynamicznych korzyści kwantowych w układach kwantowych, które są wytrącone z równowagi”.
Następnie grupa zauważyła, że splątanie kwantowe jest powiązane z szybkością magazynowania energii w wielociałowych układach kwantowych. Odkrycie to zapoczątkowało badania nad układami kwantowymi jako urządzeniami magazynującymi energię.
W 2018 r. zespół wymodelował baterię kwantową Dicke’a, pierwszą zaproponowaną w architekturze półprzewodnikowej, a w 2022 r. zespół przetestował podstawowe ramy baterii kwantowej w warunkach laboratoryjnych, używając celu, luster i lasera. światło.
Ostatnie eksperymenty rozwiązują problem
Pod koniec ubiegłego roku zespół badaczy kwantowych zaproponował system, dzięki któremu baterie kwantowe mogłyby ładować się w nieokreślonym porządku przyczynowym, czyli ICO. Z ich ustaleń – opublikowanych w „Physical Review Letters” – wynika, że system ładowania z ICO może przewyższać konwencjonalne protokoły ładowania.
„Z grubsza rzecz biorąc, ICO można wykorzystać do konstruowania procesów kwantowych, które nie są możliwe w standardowej teorii kwantowej, gdzie porządek przyczynowy musi być określony lub ustalony” – powiedział Yuanbo Chen, badacz z Uniwersytetu Tokijskiego i główny autor badania w e-mailu do Gizmodo. „Ta elastyczność pozwala na szerszą gamę procesów kwantowych, z których niektóre mogą wykazywać korzystne i interesujące właściwości”.
„Zaobserwowaliśmy ogromny wzrost zarówno energii zmagazynowanej w systemie, jak i sprawności cieplnej. I, wbrew intuicji, odkryliśmy zaskakujący efekt interakcji, który jest odwrotnością tego, czego można się spodziewać: ładowarka o niższej mocy może zapewnić wyższą energię z większą wydajnością niż ładowarka o porównywalnie większej mocy przy użyciu tego samego urządzenia” – powiedział Chen podczas konferencji czas .
Różne konfiguracje eksperymentalne systemów baterii kwantowych – zarówno zaproponowane, jak i zrealizowane – oznaczają, że istnieją różne ścieżki wprowadzania innowacji w projektowaniu tak futurystycznej technologii. W zeszłym miesiącu zespół z Uniwersytetu Gdańskiego i Uniwersytetu w Calgary zaproponował kwantowy system ładowania akumulatorów, który maksymalizuje ilość energii zmagazynowanej w akumulatorze, minimalizując jednocześnie ilość energii rozpraszanej (lub traconej) w procesie ładowania. Częścią przeprojektowania zespołu jest połączenie baterii kwantowej i jej ładowarki z tym samym zbiornikiem, tworząc wzór przypominający interferencję, który poprawia efektywność transferu energii między nimi. Zespół szacuje, że w nowym procesie ładowania akumulator może zgromadzić czterokrotnie więcej energii niż w przypadku konwencjonalnej ładowarki.
„Baterie kwantowe zachowują się bardziej jak fala, w której cząsteczki lub atomy działają zgodnie, podczas gdy w konwencjonalnych bateriach cząsteczki lub atomy zachowują się bardziej jak pojedyncze cząstki” – powiedział w e-mailu James Quach, badacz kwantowy z Uniwersytetu w Adelajdzie w Australii do Gizmodo. „To zbiorowe zachowanie leży u podstaw superintensywnych właściwości ładowania akumulatorów kwantowych, w przypadku których ładowanie akumulatorów kwantowych o większej pojemności zajmuje mniej czasu”.
W 2022 roku zespół kierowany przez Quacha przetestował podstawowy szkielet baterii kwantowej, umieszczając barwnik molekularny o nazwie pomarańcz Lumogen-F w małej wnęce i oświetlając go światłem pulsacyjnym, aby zobaczyć, w jaki sposób magazynuje energię przenoszoną przez fotony światła. Zespół odkrył, że system ładował się wyjątkowo szybko i że większe systemy powinny ładować się szybciej.
„Obecnie ładowanie baterii kwantowej, która przechowuje około mikrodżula energii przez od nano do milisekund, zajmuje femto do pikosekund” – powiedział Quach. „Chociaż nie wydaje się to długim czasem, czas przechowywania jest w rzeczywistości ponad milion razy dłuższy niż czas ładowania. Dla porównania byłoby to odpowiednikiem konwencjonalnej baterii, której ładowanie zajmuje kilka minut i która jest w stanie utrzymać ten ładunek przez setki lat.
Jak donosi New Scientist , niektórzy fizycy wysuwają teorię, że czas ładowania baterii kwantowej jest odwrotnie proporcjonalny do liczby kubitów w systemie; innymi słowy, im większa bateria, tym szybciej się ładuje.
Kiedy więc mogę zdobyć baterię kwantową?
Badania nad akumulatorami kwantowymi cieszą się coraz większym zainteresowaniem, choć wciąż są w powijakach. Chociaż ich obietnice są niezwykłe, ostateczny projekt tej technologii pozostaje otwartym pytaniem. Komercjalizacja? To zaledwie błysk w oku najbardziej nastawionego obecnie na biznes fizyka.
Głównym problemem pozostaje zapewnienie, aby systemy kwantowe pozostały w stanie kwantowym w miarę zwiększania skali. Quach uważa, że baterie kwantowe można wykorzystać jako mobilne źródło energii w telefonach i samochodach, ale wiele systemów kwantowych potrzebuje obecnie bardzo zimnych i bezgłośnych warunków, aby tak pozostać (na marginesie, eksperymentalna konfiguracja Quacha z 2022 r. działała w temperaturze pokojowej). Nie chcę Cię demoralizować, drogi czytelniku, ale synteza jądrowa jest prawdopodobnie bliższa rzeczywistości niż baterie kwantowe w naszych urządzeniach.
Choć wielu sceptycznych reporterów nie chce się do tego przyznać, chętnie przełknę moje słowa. Jedyną rzeczą lepszą od posiadania racji jest znalezienie lepszego świata kosztem bycia w błędzie. Baterie kwantowe mogłyby ładować się szybciej i wydajniej niż urządzenia klasyczne, a także można je zintegrować z rozwijającymi się technologiami kwantowymi wykorzystywanymi do wymagających symulacji i pomiarów. Nie wykazano jeszcze w pełni działającej baterii kwantowej, ale według niedawnego kolokwium taka technologia może zrewolucjonizować sposób, w jaki pozyskujemy, dostarczamy i kontrolujemy energię. Biorąc pod uwagę oczywistą zależność ludzkości od energii elektrycznej , magazynowanie energii mogłoby dokonać skoku kwantowego.
Więcej: Fizycy zmusili komputer kwantowy do pracy, wysadzając go ciągiem Fibonacciego
